Selektiv löschbare Tinten für den Mikro-3D-Druck

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Dreidimensionale Mikrostrukturen aus verschiedenen spaltbaren Fotolacken. Die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigen den selektiven Abbau der Strukturen. (Skalierung 20 µm)
Dreidimensionale Mikrostrukturen aus verschiedenen spaltbaren Fotolacken. Die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigen den selektiven Abbau der Strukturen. (Skalierung 20 µm) (Bild: Nature Communications)

Nicht nur hochpräzise aufbauen, sondern auch gezielt abbauen - das ist möglich mit den neuen 3D-Tinten für das direkte Laserschreiben. Die Integration von löschbarer Tinte in Strukturen aus nicht-löschbarer Tinte ermöglicht beispielsweise temporäre Stützkonstruktionen für hochkomplexe Bauteile.

Der 3D-Druck gewinnt stetig an Bedeutung, da er das effiziente Fertigen auch komplexer Geometrien ermöglicht. Als besonders vielversprechendes Verfahren gilt das direkte Laserschreiben: Ein computergesteuerter fokussierter Laserstrahl fungiert als Stift und erzeugt die gewünschte Struktur in einem Fotolack. So lassen sich dreidimensionale Strukturen mit Details im Submikrometerbereich herstellen.

Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun 3D-Tinten entwickelt, die sich selektiv löschen lassen. Dies ermöglicht, hoch präzise Strukturen auf der Mikro- und Nanoskala gezielt abzubauen und wieder aufzubauen. In der Zeitschrift Nature Communications stellt das Team die neuen Fotolacke vor.

„Die hohe Auflösung ist besonders attraktiv für hoch präzise, filigrane Strukturen“

„Die hohe Auflösung ist besonders attraktiv für Anwendungen, die hoch präzise, filigrane Strukturen erfordern, wie in der Biomedizin, in der Mikrofluidik, in der Mikroelektronik oder für optische Metamaterialien“, erklären Professor Christopher Barner-Kowollik, Leiter der Arbeitsgruppe Makromolekulare Architekturen am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT und der Soft Matter Materials Group an der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane, sowie Dr. Eva Blasco vom ITCP des KIT.

Bereits vor mehr als einem Jahr war es Forscherinnen und Forschern des KIT gelungen, die Möglichkeiten des direkten Laserschreibens entscheidend zu erweitern: Die Arbeitsgruppen von Professor Martin Wegener am Institut für Angewandte Physik (APH) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT und von Professor Christopher Barner-Kowollik entwickelten eine löschbare Tinte für den 3D-Druck. Dank einer reversiblen Bindung lassen sich die Bausteine der Tinte wieder voneinander trennen.

Nun haben die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Brisbane ihre Neuerung wesentlich verfeinert. Wie sie in der Zeitschrift Nature Communications berichten, haben sie mehrere Tinten entwickelt, sozusagen in verschiedenen Farben, die sich unabhängig voneinander löschen lassen.

Mikrostrukturen lassen sich ganz gezielt abbauen

Dies erlaubt es, die lasergeschriebenen Mikrostrukturen selektiv und sequenziell abzubauen und wieder aufzubauen. So lassen sich beispielsweise bei besonders komplexen Konstruktionen temporäre Stützen errichten und im weiteren Konstruktionsprozess wieder entfernen. Außerdem gestatten die gezielt löschbaren 3D-Tinten den Austausch beschädigter oder verschlissener Teile in komplexen Konstruktionen.

Bei der Herstellung der spaltbaren Fotolacke ließen sich die Forscher von abbaubaren Biomaterialien inspirieren: Die Fotolacke basieren auf Silanverbindungen, also Silizium-Wasserstoff-Verbindungen, die sich leicht trennen lassen.

Die Wissenschaftler bereiteten sie durch gezielten Atomaustausch für die Fotolacke auf. So lassen sich Mikrostrukturen gezielt unter milden Bedingungen abbauen, ohne dabei Strukturen mit anderen Materialeigenschaften zu beschädigen – ein wesentlicher Vorteil gegenüber früheren löschbaren 3D-Tinten.

Die neuen Fotolacke enthalten außerdem das Monomer Pentaerythritoltriacrylat, das den Schreibprozess wesentlich verbessert, ohne die Löschbarkeit zu beeinträchtigen. Die Forscher gehen zudem davon aus, dass entwickelte Fotolacksystem auch auf andere 3D-Drucktechnologien, wie die Stereolithografie, übertragen werden kann.

Originalveröffentlichung: (Open Access):
D. Gräfe et al.: Adding chemically selective subtraction to multi-material 3D additive manufacturing. Nature Communications. 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-05234-0

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