Präzise Kontrolle von Mikro-3D-Druckern eröffnet neue Anwendungsbereiche

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Professor Dr. Georg von Freymann: „Wir können Amplitude, Phase und Polarisation des Laserstrahls kontrollieren.“ Damit ist es den Forschern möglich, mit dem Druckverfahren viel komplexere Strukturen herzustellen.
Professor Dr. Georg von Freymann: „Wir können Amplitude, Phase und Polarisation des Laserstrahls kontrollieren.“ Damit ist es den Forschern möglich, mit dem Druckverfahren viel komplexere Strukturen herzustellen. (Bild: TUK/Thomas Koziel)

Durch die Verwendung von räumlichen Lichtmodulatoren können hochkomplexe Strukturen gedruckt werden – beispielsweise um die Oberfläche von Bauteilen zu Funktionalisieren, um die Reibung zu reduzieren, oder um Grundlagen in der Quantenphysik besser zu erforschen.

Die Druckerzeugnisse, mit denen sich die Physiker um Professor Dr. Georg von Freymann an der TU Kaiserslautern Campus beschäftigen, sind derartig winzig, dass sie für das „nackte“ Auge nicht sichtbar sind. Sie sind kleiner als der Durchmesser eines Haares und kleinste Strukturdetails liegen in Bereichen von rund 100 Nanometern. Erst das Rasterelektronenmikroskop macht sie und ihre filigranen Formen sichtbar.

Mikro-3D-Drucker sind schon einige Jahre auf dem Markt. Bei ihnen kommen lithografische Verfahren zum Einsatz, die ähnlich funktionieren wie die Belichtung bei früheren Fotofilmen. „Ein Laserstrahl belichtet hierbei eine viskose Kunststoff-Flüssigkeit“, erklärt Georg von Freymann vom Lehrstuhl für Optische Technologien und Photonik das Prinzip.

„Die Intensität des Lasers ist so hoch, dass es zu einer lokalen chemischen Reaktion kommt und der Kunststoff aushärtet.“ Dabei gibt ein Computerprogramm die gewünschte 3D-Form vor. Nachdem der belichtete Teil ausgehärtet ist, kann die restliche Flüssigkeit entfernt werden.

Die Forscher haben nun die Funktionen des hier eingesetzten Lasersystems so erweitert, dass sie damit viel komplexere Strukturen herstellen können: „Unsere Arbeiten bauen auf der Plattform des Photonic Professional GT auf, erweitern diese aber um räumliche Licht­modulatoren, die uns die Kontrolle der einfallenden Laserstrahlung ermöglichen und somit das „Werkzeug“, also die Intensitätsverteilung im zu belichtenden Material, einstellen können: Es ist also eine Eigenentwicklung auf Basis des Nanoscribe Geräts. Dies ermöglicht zum Beispiel, statt mit nur einem Fokus, wie im Standardsystem, mit mehreren Foki gleichzeitig zu arbeiten oder durch entsprechende Formgebung des Fokus die resultierende Linienform im Material zu beeinflussen,“ erklärt Dr. von Freymann

Der Aufbau verzichtet auf spezielle Gitter oder Prismen und ist somit kompakt, flexibel und kostengünstig. Er ermöglicht nahezu beliebige unabhängige Phasen-, Intensitäts- und Polarisationsverteilungen um einen einzigen speziellen Raumlichtmodulator (phase-only spatial-light-modulator). Die Aufteilung der Intensität in mehrere Brennpunkte erfolgt durch die räumliche Modulation der Feldverteilung auf der Eintrittslinse der fokussierenden Optik.

Dabei werden alle Konfigurationen elektronisch erzeugt, ohne dass eine Änderung im Setup erforderlich ist – Algorithmen berechnen ein Phasen- oder Amplitudenmuster und können deterministisch oder iterativ sein.

Viele Bereiche der Optik erfordern eine genaue Kontrolle des räumlichen Phasenprofils eines Laserstrahls oder profitieren zusätzlich vom Zugriff auf die räumliche Intensitätsverteilung. Darüber hinaus kann insbesondere bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie die räumliche Gestaltung der Polarisation von Vorteil sein. Beispielsweise können Spin-Wellen durch zirkular polarisiertes Licht präzise ausgelöst werden.

Vielfältige Anwendungsbereiche: von der Oberflächenstrukturierung bis zur Quantenphysik

Zum Einsatz kommt die Technik in verschiedenen Bereichen. Im Sonderforschungsbereich 926 „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ arbeiten die Physiker zum Beispiel mit Kollegen aus dem Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik zusammen. Sie entwickeln neuartige Mikrostrukturen für die Oberfläche von Bauteilen.

„Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel die Reibung und dadurch der Verschleiß senken“, sagt der Professor. Solche Methoden sind darüber hinaus von Interesse, um etwa die Ansammlung von Zellen zu kontrollieren. „In vielen Bereichen lagern sich Mikroorganismen in Form von Biofilmen an“, nennt von Freymann als Beispiel. Das kann in Krankenhäusern sein, aber auch bei Produktionsanlagen in der Industrie. „Mit speziell strukturierten Oberflächen kann man dies verhindern. Umgekehrt ist es aber auch möglich, Zellen gezielt anzusiedeln.“ Beispielsweise in der Forschung, um Zellkulturen besser wachsen zu lassen.

Auch für die Grundlagenforschung ist die Laserdrucktechnik von Bedeutung, um etwa Phänomene der Quantenphysik genau zu untersuchen. „Wir können damit Modelle entwickeln, in denen wir unter anderem die Positionen einzelner Atome verschieben. Dies geht in realen Festkörpern nicht so einfach“, so von Freymann. „Wir können hierbei erforschen, was auf Quantenebene geschieht.“

Von Freymann ist am Unternehmen Nanoscribe beteiligt, das 2007 gegründet wurde und solche Mikro-3D-Drucker herstellt. Kürzlich hat das Unternehmen gemeinsam mit dem Institut für Nanotechnologie am Karlsruher Institut für Technologie den Technologietransferpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft erhalten.

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