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29.01.2020 | Mikro- + Nanofertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Schneller und präziser 3D-Druck von Metamaterialien

Autor:
Thomas Siebel
2 Min. Lesedauer

Mit einem neuen Ansatz können Metamaterialien mit Details von weniger als einem Mikrometer Größe additiv gefertigt werden, und das in einer bisher nicht erreichten Druckgeschwindigkeit.

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Queensland University of Technology in Brisbane (Australien) haben ein System entwickelt, mit dem sich in bisher nicht erreichter Geschwindigkeit hochpräzise, zentimetergroße Objekte mit submikrometergroßen Details drucken lassen.

Bei dem neuen Verfahren, das im Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O) entwickelt wurde, durchfährt der Lichtfleck eines Lasers computergesteuert einen flüssigen Fotolack, wobei nur das Material im Brennpunkt des Lasers belichtet und ausgehärtet wird. Mit einer speziellen Optik wird der Laserstrahl dabei in neun Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils in einen Brennpunkt gebündelt werden. Alle neun Teilstrahlen können parallel verwendet und präzise verfahren werden. Auf diese Weise erreichen die Forscher Druckgeschwindigkeiten von etwa zehn Millionen Voxel pro Sekunde – bisher ließen sich mit einem einzigen Laserlichtfleck nur einige Hundert Tausend Voxel pro Sekunde erzeugen. Die Druckgeschwindigkeit mit dem neuen Verfahren entspricht nun in etwa der von grafischen 2D-Tintenstrahldruckern.

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Zu Demonstrationszwecken haben die Wissenschaftler eine 60 Kubikmillimeter große Gitterstruktur mit Details bis in den Mikrometermaßstab gedruckt, die mehr als 300 Milliarden Voxel enthält, wobei ein Voxel das dreidimensionale Analogon des Pixels im 2D-Druck ist.

Metamaterialien mit neuartigen Eigenschaften

Mit dem neuen Verfahren erweitern die Wissenschaftler die Möglichkeiten für die Herstellung dreidimensionaler Metamaterialien. Metamaterialien sind künstlich erzeugte Werkstoffe, deren Eigenschaften – optische, akustische, thermische, mechanische oder elektromagnetische – anwendungsspezifisch eingestellt werden können. Sie können dabei über die Eigenschaften natürlicher Materialien hinausgehen, wie der Springer-Autor Xingcun Colin Tong im Buch Functional Metamaterials and Metadevices erläutert. Damit lassen sich neue Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Optik und Photonik, Materialwissenschaften, Biotechnologie oder Sicherheitstechnik erschließen. Aktuelle Forschungen befassen sich dabei unter anderem mit schaltbaren, nichtlinearen oder sensorischen Materialeigenschaften.

Bislang werden 3D-Strukturen in Metamaterialien zumeist durch das Stapeln zweidimensionaler planerer Schichten erzeugt, die im Photolithographie-, Elektronenstrahllithographie- oder Trockenätzverfahren hergestellt werden, wie der Springer-Autor Takuo Tanaka im Buch Electromagnetic Metamaterials erläutert. Weiterhin eignen sich Microstereolithographie, die chemische Gasphasenabscheidung und die Zwei-Photonen-Polymerisation.  

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