Forscher haben eine neue Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik entwickelt, bei der zwei Laser zum 3D-Druck komplexer hochauflösender Strukturen eingesetzt werden. Dieser Fortschritt könnte den 3D-Druckprozess kostengünstiger machen und ihm zu einer breiteren Anwendung in einer Vielzahl von Anwendungen verhelfen.
Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist eine fortschrittliche additive Fertigungstechnik, bei der traditionell Femtosekundenlaser verwendet werden, um Materialien präzise und dreidimensional zu polymerisieren. Obwohl sich dieses Verfahren gut für die Herstellung hochauflösender Mikrostrukturen eignet, wird es in der Fertigung nicht häufig eingesetzt, da Femtosekundenlaser teuer sind und die Kosten für den Druck von Teilen erhöhen.
„Wir haben einen relativ kostengünstigen Laser, der sichtbares Licht aussendet, mit einem Femtosekundenlaser kombiniert, der Infrarotimpulse aussendet, um den Leistungsbedarf des Femtosekundenlasers zu senken“, sagte Forschungsteamleiter Xianfan Xu von der Purdue University. „Auf diese Weise kann mit einer gegebenen Femtosekundenlaserleistung der Druckdurchsatz erhöht werden, was zu geringeren Kosten für den Druck einzelner Teile führt.“
In der Zeitschrift Optik-ExpressDie Forscher zeigen dass der Zwei-Laser-Ansatz die für den 3D-Druck benötigte Femtosekundenlaserleistung um bis zu 50 % reduziert, verglichen mit der Verwendung eines Femtosekundenlasers allein.
„3D-Druck mit hoher Auflösung hat viele Anwendungsmöglichkeiten, darunter 3D-Elektronikgeräte, Mikroroboter für den biomedizinischen Bereich und 3D-Strukturen oder Gerüste für die Gewebezüchtung“, sagte Xu. „Unser neuartiger 3D-Druckansatz kann problemlos in viele bestehende Femtosekundenlaser-3D-Drucksysteme implementiert werden.“
Das Video zeigt das Drucken mit einem Femtosekundenlaser allein bei 50 % der Schwellenleistung, was zu einem erfolglosen Druck führt (links). Wenn ein zweiter Laser (grün) zusammen mit dem Femtosekundenlaser bei 50 % der Schwellenleistung verwendet wird, ist der Druck erfolgreich. Bildnachweis: Anwarul Akash, Purdue University
Die richtige Laserbalance finden
Die neue Arbeit ist Teil der Bemühungen des Forschungsteams, die Druckgeschwindigkeit kontinuierlich zu verbessern und die Druckkosten für die Zweiphotonenpolymerisation zu senken. Dabei wird das Phänomen der Zweiphotonenabsorption genutzt, um ein lichtempfindliches Material präzise auszuhärten oder zu verfestigen.
„Bei einem herkömmlichen Zwei-Photonen-Polymerisationsdruckverfahren wird der Femtosekundenlaser zunächst verwendet, um einen photochemischen Prozess einzuleiten, der die Hemmstoffe im Material reduziert, bevor der Druck beginnt“, sagte Xu. „Wir haben stattdessen einen kostengünstigen Laser für diesen Zweck verwendet.“
Der neue Ansatz kombiniert die Einzelphotonenabsorption eines 532 nm Nanosekundenlasers mit der Zweiphotonenabsorption eines 800 nm Femtosekundenlasers. Damit dies funktioniert, mussten die Forscher das richtige Gleichgewicht zwischen der Druckwirkung und der Hemmung durch die beiden Laser finden.
Dazu erstellten sie ein neues mathematisches Modell, das ihnen dabei helfen sollte, die beteiligten photochemischen Prozesse zu verstehen und die kombinierte Wirkung von Zwei-Photonen- und Ein-Photonen-Anregungsprozessen zu berechnen. Sie nutzten das Modell auch, um die dominanten Prozesse zu identifizieren, die bestimmen, wie stark die Leistung des Femtosekundenlasers reduziert werden kann, um dennoch die gewünschten Druckergebnisse zu erzielen.
Drucken detaillierter Strukturen
Nachdem sie den neuen Ansatz verfeinert hatten, verwendeten sie ihn, um verschiedene 2D- und 3D-Strukturen mit reduzierter Femtosekundenlaserleistung zu drucken. Dazu gehörten detaillierte Holzstapel mit einer Größe von nur 25 × 25 × 10 μm sowie ein Buckyball im Mikronmaßstab, eine chirale Struktur und ein Kleeblattknoten. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die neue Methode die erforderliche Leistung des Femtosekundenlasers bei 2D-Strukturen um bis zu 80 % und bei 3D-Strukturen um bis zu rund 50 % reduzierte.
„Dieser neue Druckansatz könnte Auswirkungen auf die Fertigungstechnologien haben und die Entwicklung von Geräten in den Bereichen Unterhaltungselektronik und Gesundheitswesen jetzt und in Zukunft beeinflussen“, sagte Xu. Die Forscher arbeiten nun daran, die Druckgeschwindigkeit weiter zu verbessern und die Kosten des 3D-Drucks zu senken.
Mehr Informationen:
Anwarul Islam Akash et al, Zweifarbiger 3D-Druck zur Reduzierung der Femtosekundenlaser-Druckleistung, Optik-Express (2024). DOI: 10.1364/OE.525826