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27.02.2019 | Additive Fertigung | Nachricht | Onlineartikel

Materialdesign in 3D – vom Molekül bis zur Makrostruktur

Autor:
Nadine Winkelmann

Das Exzellenzcluster "3D Matter Made to Order" des KIT und der Universität Heidelberg erforscht dreidimensional gedruckte Designer-Strukturen. Ziel ist die Entwicklung neuer Technologien, um Strukturen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene zu drucken.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des KIT und der Universität Heidelberg wollen mit dem Exzellenzclusters "3D Matter Made to Order" (3DMM2O) die 3D-Fertigung und Materialverarbeitung vom Molekül bis zur Makrostruktur vollständig digitalisieren und neue Fertigungstechnologien für konkrete Anwendungsfelder entwickeln. Hierfür setzen sie in drei ineinandergreifenden Forschungsfeldern an: Im Feld "Technologien" entstehen neuartige Werkzeuge, die Strukturen bis zu zehn Nanometern fertigen können. Sie ermöglichen einen schnelleren, präziseren Druck mit unterschiedlichen Tinten und Photolacken. Diese entwickeln die Forschenden im Feld "Molekulare Materialien". Die maßgeschneiderten künstlichen Materialien weisen ein breites Spektrum an Eigenschaften auf und lassen sich kombinieren. Die Forschung in die Anwendung bringt das Feld "Applikationen". Hier liegt der Fokus auf den Bereichen Optik und Photonik, Materialwissenschaften sowie Lebenswissenschaften. Die gedruckten 3D-Strukturen können beispielsweise die Leistung optischer Chips für die Informationsverarbeitung verbessern oder in künstlichen Retinae zum Einsatz kommen.

"Unser Ansatz besteht darin, digitale Informationen in maßgeschneiderte, funktionale Materialien, Geräte und Systeme zu übersetzen", erklärt Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und Direktor am Institut für Nanotechnologie des KIT sowie Sprecher des Clusters. Langfristiges Ziel von 3DMM2O sei es, eine Art Tischgerät zu bauen, das keine besonderen räumlichen Voraussetzungen erfordert, wie eine große Produktionshalle, Vakuum oder bestimmte Temperaturen. "Wir wollen bisher unzugängliche wissenschaftliche Anwendungen quasi für zu Hause erschließen und den 3D-Druck auf Knopfdruck ermöglichen", sagt Wegener.

Maßgeschneiderter Materialmix und bewegliche Mikrostrukturen

Forschende des KIT und der Carl Zeiss AG haben im Rahmen des Clusters gemeinsam ein System entwickelt, mit dem sie mehrfarbig fluoreszierende Sicherheitsmerkmale dreidimensional additiv herstellen können. Damit lassen sich beispielsweise Geldscheine, Pässe und Markenprodukte vor Fälschung schützen. Grundlage ist die 3D-Laserlithografie, bei der ein Laserstrahl computergesteuert einen flüssigen Fotolack durchfährt und das Material nur am Fokuspunkt des Laserstrahls aushärtet. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben eine selbst entwickelte mikrofluidische Kammer in das Lithografiegerät eingebaut, mit der sie verschiedene Materialien verdrucken können. So kann ein einziges Gerät dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aus mehreren Materialien in einem Prozessschritt umsetzen. 

Ein zweites Beispiel aus der Forschung im Cluster beschäftigt sich mit dem direkten Laserschreiben, das bereits jetzt routinemäßig präzise Strukturen auf der Mikroskala ermöglicht. Für Anwendungen in der Biomedizin wäre es jedoch vorteilhaft, wenn die gedruckten Objekte nicht starr sind, sondern bewegliche Systeme wären, die nach dem 3D-Druck schaltbar sind. Forschende des KIT konnten nun dreidimensionale Strukturen aus Hydrogelen erstellen, die durch den Einfluss von Temperatur oder Licht ihre Form stark verändern. Diese sind in wässriger Umgebung funktionsfähig und damit ideal für Anwendungen in Biologie und Biomedizin.

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