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15.02.2019

Polymerstrukturen schneller produzieren

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln eine Kombi-Maschine, die Stereolithografie und Multiphotonen-Polymerisation nutzt. Mit ihr sollen sich feine Polymerstrukturen schneller herstellen lassen. Die Lösung ist nicht nur für die Biomedizin interessant.

Gemeinsam mit den Unternehmen Light Fab aus Aachen, Bartels Mikrotechnik aus Dortmund und Miltenyi Biotec aus Bergisch Gladbach arbeiten Experten des Fraunhofer ILT im Projekt Ho-Pro-3D an der Entwicklung einer neuen Maschine, die makroskopische Polymerstrukturen mit Auflösung bis in den Submikrometerbereich herstellen soll. Bislang standen dafür verschiedene separate Verfahren zur Verfügung: Die UV-Polymerisation auf Basis von Lasern, wie zum Beispiel die Stereolithografie (SLA) oder Mikrospiegel-Arrays (DLP), sowie die Multiphotonenpolymerisation (MPP) im mikroskopischen Maßstab.

  • Die Kombi-Maschine soll verzweigte Mikroröhren und komplette Mikrofluidiksysteme herstellen. Bild: Fraunhofer ILT

    Die Kombi-Maschine soll verzweigte Mikroröhren und komplette Mikrofluidiksysteme herstellen. Bild: Fraunhofer ILT

  • Die Stärke der kombinierten Verfahren zeigt sich, wenn kleine Präzisionsteile und massive Grundkörper zusammenkommen. Bild: Fraunhofer ILT

    Die Stärke der kombinierten Verfahren zeigt sich, wenn kleine Präzisionsteile und massive Grundkörper zusammenkommen. Bild: Fraunhofer ILT

  • Mit der neuen Verfahrenskombination hergestellte feine Struktur (etwa 400 x 400 μm), die auf einen massiven Grundkörper (siehe Bild 2) aufgebracht wurde. Bild: Fraunhofer ILT

    Mit der neuen Verfahrenskombination hergestellte feine Struktur (etwa 400 x 400 μm), die auf einen massiven Grundkörper (siehe Bild 2) aufgebracht wurde. Bild: Fraunhofer ILT

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Beim SLA-Verfahren schreibt ein UV-Laser eine zweidimensionale Struktur in ein Harzbad, was eine Polymerisation des photosensitiven Materials bewirkt. Dabei wird das Bauteil schrittweise abgesenkt und schichtweise eine 3D-Struktur aufgebaut. Die Aufbaurate liegt dabei z. T. deutlich über 1 mm³ pro Sekunde. Neuere Belichter verwenden UV-LEDs als Lichtquelle und einen DLP (Digital Light Processor) Chip anstelle des Scanners. Damit lässt sich die Belichtung parallelisieren und so die Aufbaurate erhöhen. Beide Verfahren erreichen eine maximale Auflösung oberhalb von 10 µm.
Für den Aufbau noch feinerer Strukturen eignet sich die Multiphotonen-Polymerisation. Dabei wird die nötige Photonenenergie durch intensive Laserpulse mit Wellenlängen im sichtbaren oder infraroten Bereich erzeugt, wobei sich mehrere niederenergetische Photonen virtuell zu einem UV-Photon addieren. Der Vorteil besteht in der extrem hohen Präzision von bis zu 100 nm in allen drei Raumrichtungen – die Aufbaurate liegt hier allerdings bei nur etwa 10 µm³ pro Sekunde.


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