Zwei-Photonen-Lithographie

Beim 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Lithographie handelt es sich um ein Verfahren der Photopolymerisation. An der Technischen Universität Wien wurde im Jahre 2012 ein entsprechender Hochpräzisions-3D-Drucker entwickelt. 3D-Drucker erstellen Objekte, indem Material Schicht für Schicht aufgetragen wird.

Photopolymerisation

Beim 3D-Druck durch Photopolymerisation werden Photopolymere zur Fertigung verwendet. Dieses Material ist im Ausgangszustand flüssig und hat die Eigenschaft, dass es sich erhärtet, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird. Ein typisches Photopolymer, das als Druckmaterial verwendet wird, ist das Epoxidharz. Unter Polymerisation versteht man eine Kettenreaktion, in der Moleküle zu Makromolekülen (Polymere) verknüpft werden. Durch diesen Prozess entsteht aus einem flüssigen Gemisch von Monomeren (Einzelmoleküle) ein ausgehärteter, verketteter Kunststoff (Gebhardt, 1996). Alle Photopolymerisations-Verfahren funktionieren grundsätzlich mit derselben Technik, unterscheiden sich aber in der Vorgehensweise. Grundsätzlich lässt sich der 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Lithographie mit der Stereolithographie vergleichen.

Druckverfahren

Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Lithographie können dreidimensionale Teile in Nano-Präzision hergestellt werden. Das künstliche Harz wird durch einen Laser ausgehärtet, der durch bewegliche Spiegel gelenkt wird. Da das Harz nur beim Brennpunkt des Laserstrahls reagiert (→ Zwei-Photonen-Absorption), kann der Strahl durch mehrere Schichten gelenkt werden, wobei nur die gewünschte Schicht erhärtet. Außerdem wird er sehr stark fokussiert, sodass es möglich ist, Teile im Harz zu erhärten, die einen Durchmesser von weniger als ein Zehntausendstelmillimeter haben (100 nm). Nicht nur die Präzision wurde durch dieses Druckverfahren revolutioniert. Auch die Steuerung der Spiegel, die den Laserstrahl lenken, wurde derart verbessert, dass in nur wenigen Minuten hundert Schichten gedruckt werden können.

Literatur

Monographien

• A. Gebhardt: Rapid Prototyping, Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung. Carl Hanser Verlag, München Wien 1996.
• A. Gebhardt: Understanding Additive Manufacturing. Carl Hanser Verlag München Wien 2012.
• P. Fastermann: 3D-Druck / Rapid Prototyping, Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2012.

Dissertationen

• Torsten Abel: Zwei-Photonen-Polymerisation zur Erzeugung mikrostrukturierter 3D-Freiformtargets für die Laser-Ionen-Beschleunigung. Technische Universität Darmstadt 2018. Online verfügbar (CC BY-NC-ND 4.0)
• Carsten Eschenbaum: Zwei-Photonen-Lithografie zur Herstellung optofluidischer Systeme. Karlsruher Institut für Technologie 2016. Online verfügbar (CC BY-SA 3.0 DE)
• Anika Trautmann: Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente. Technische Universität Darmstadt 2018. Online verfügbar (CC BY-SA 4.0)