Erstellen von 3D-gedruckten Materialien, die präziser schrumpfen

Von Häusern bis hin zu Hörgeräten revolutioniert der dreidimensionale (3D-)Druck die Art und Weise, wie wir komplexe Strukturen im großen Maßstab erstellen. Ein Prozess, der als Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie (TPL) bekannt ist und bis auf die Mikro- und Nanoebene reicht, ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Objekte mit mikroskopischer Präzision zu konstruieren, was weitreichende Auswirkungen auf Branchen von der Medizin bis zur Fertigung hat.

In der Informatik und Kommunikation kann TPL beispielsweise zur Entwicklung neuer optischer Materialien wie photonischen Kristallen eingesetzt werden, die Licht auf neue Weise manipulieren können. Doch obwohl es vielversprechend ist, bestehen noch einige Herausforderungen, um sein Potenzial voll auszuschöpfen. Die wichtigste davon ist die Herausforderung, eine gleichmäßige Schrumpfung und Strukturgrößen unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts zu erreichen, was für eine fortgeschrittene Lichtmanipulation von entscheidender Bedeutung ist.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Joel Yang vom Bereich Engineering Product Development der Singapore University of Technology and Design (SUTD) in Zusammenarbeit mit seinen Kollegen vom Industrial Technology Centre der Präfektur Wakayama in Japan eine neue Methode eingeführt sorgt für eine gleichmäßige Schrumpfung 3D-gedruckter Strukturen bei Wärmebehandlung. Dies verfeinert den Einsatz von TPL bei der Herstellung hochpräziser nanoskaliger Merkmale weiter.

Ihre Forschungsarbeit mit dem Titel „Pick-and-Place-Verfahren zur gleichmäßigen Schrumpfung von 3D-gedruckten mikro- und nanoarchitektonischen Materialien“ lautete veröffentlicht In Naturkommunikation.

In ihrer Studie verwendeten die Forscher eine Schicht aus Poly(vinylalkohol) oder PVA auf dem Drucksubstrat, um das Abwaschen und Übertragen von 3D-gedruckten Teilen auf ein separates Substrat zu erleichtern und so eine kontrollierte und gleichmäßige Reduzierung der 3D-gedruckten Teile zu ermöglichen. Durch die lose Befestigung auf dem neuen Untergrund kann die Basis der Strukturen gleiten, da der gesamte 3D-Druck beim Erhitzen gleichmäßig schrumpft.

Dieser einfache, aber effektive Ansatz umgeht das Problem einer ungleichmäßigen Schrumpfung, die durch die Befestigung der Struktur an der Oberfläche, auf die sie gedruckt wurde, verursacht wird. Es eröffnet auch Möglichkeiten, mikroskopisch kleine 3D-gedruckte Teile zur Integration in andere Geräte oder auf Substrate zu übertragen, die nicht für TPL geeignet sind.

Yang ließ sich für diese Technik von der Natur inspirieren und erklärte: „So wie Regenwürmer sich ausdehnen und zusammenziehen, um sich über Oberflächen zu bewegen, glaubten wir, dass wir unseren 3D-Strukturen ermöglichen könnten, ohne Verzerrung auf eine kleinere Größe zu ‚gleiten‘.“

Laut Tomohiro Mori, Erstautor der Arbeit und Gastforscher am Industrial Technology Center der Präfektur Wakayama, „machte die komplexe Geometrie des Maskottchens der Präfektur Wakayama – mit seinen verschiedenen Kurven, Unebenheiten und Senken – es zu einem idealen Motiv, um die Wirksamkeit unserer Technik zu demonstrieren.“ . Die erfolgreiche gleichmäßige Verkleinerung eines derart detaillierten Modells legt nahe, dass unsere Methode für jede Form angepasst werden könnte, unabhängig von ihrer Form oder der Festigkeit der Plattform, auf der sie platziert ist.“

Der Ansatz des Teams ermöglicht die Schaffung fein detaillierter Strukturen, die über das hinausgehen, was ihre Druckgeräte ursprünglich produzieren können, und durchbricht bisherige Barrieren in Bezug auf Auflösung und Materialsteifigkeit, die mit 3D-gedruckten Objekten verbunden waren.

Durch die Nutzung dieses neuen Schrumpfungsprozesses können die Forscher auch die Eigenschaften 3D-gedruckter Strukturen so weit verfeinern, dass sie in neuen Rollen fungieren können, beispielsweise als visuelle Indikatoren aufgrund ihrer Fähigkeit, Strukturfarben anzuzeigen. Noch wichtiger ist, dass diese Farben nicht auf Farbstoffe zurückzuführen sind, sondern aus der inneren Struktur des Materials entstehen, das bei Verkleinerung mit Licht auf eine Weise interagiert, die sein Aussehen verändert.

Dadurch werden Materialien mit neuen Funktionen ausgestattet. „Der Einbau bestimmter Moleküle, sogenannter Chromophore, die auf verschiedene Arten von Licht reagieren, in die Strukturen könnte es uns beispielsweise ermöglichen, Materialien zu entwickeln, die ihre Farbe als Reaktion auf bestimmte Lichtverhältnisse ändern“, erklärte Yang. „Dies hat praktische Anwendungsmöglichkeiten bei der Fälschungsbekämpfung, wo die Echtheit von Gegenständen durch unterschiedliche Strukturfarben und die Emissionseigenschaften dieser Materialien überprüft werden kann.“

Die vom Forschungsteam entwickelte Technologie ist vielversprechend für Branchen wie die Elektronik, wo sie zur Herstellung komplizierter Kühlkörper verwendet werden kann, die zur Kühlung von Hochleistungsgeräten wie hochmodernen GPUs und CPUs benötigt werden.

Die stetige Schrumpfung gedruckter Komponenten eröffnet auch Anwendungen in Bereichen, die eine hohe Genauigkeit der Materialstrukturierung erfordern, wie etwa mechanische Teile mit komplexen Geometrien, optische Elemente mit präzisen Lichtmanipulationsfähigkeiten und akustische Geräte, die Schall präziser steuern können.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, die Anwendungen ihrer Technik über das derzeit in ihrer Studie verwendete Polymerharzmaterial hinaus auszuweiten. Durch die Anwendung ihrer Methode auf Materialien mit höheren Brechungsindizes wollen sie effektivere photonische Kristalle schaffen, die Technologien in Lasern, Bildgebungssystemen und optischen Sensoren verbessern könnten.

Darüber hinaus arbeitet das Forschungsteam auch an der Feinabstimmung der Abstandskontrolle in gedruckten Strukturen, um vollfarbige 3D-Modelle zu erstellen, die die Art und Weise, wie Licht manipuliert wird, präzise steuern können. Dazu gehören Bemühungen, diese Strukturen über große Flächen oder in erheblichen Mengen zu übertragen und genau zu positionieren und dabei die hohe Präzision beizubehalten, die für diese fortschrittlichen Anwendungen erforderlich ist.