Durchbruch in der Mikrofabrikation


Während die additive Fertigung in der Welt grosser Bauteile bereits Standard ist, hält sie nun auch Einzug in die Bereiche der Nano- und Mikrofabrikation und schliesst die bisherige Lücke zwischen der 3D-Laserlithografie und anderen 3D-Druckverfahren. Stossen herkömmliche Verfahren wie die Stereo lithografie bei Schichtdicken von 50 bis 150 μm an ihre Grenzen, kommt die noch relativ junge Technologie der 3D-Laserlithografie zum Zuge und entfaltet ihre vielfältigen Stärken auf der Mikro- bis Mesoskala.

Der feinstrukturierte Eiffelturm hat eine Gesamthöhe von gerade mal 2 mm.

Die Auflösung ist im Vergleich zur Stereolithografie etwa 10 bis 100 Mal so hoch, Strukturdetails von einem Mikrometer und kleiner sind hier Standard bei Oberflächenrauigkeit in optischer Qualität. Komplexe dreidimensionale Gebilde mit Strukturdetails bis hinunter zu 150 Nm können basierend auf der Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation auf einer Schreibfläche von bis zu 100 x100 mm2 aus UV-härtenden Kunststoffen geformt werden. Im Unterschied zu anderen 3D-Druckverfahren gibt es auf dieser Grössenordnung für viele Strukturdesigns keine adäquate Alternative. Übliche Verfahren bieten meist nicht die nötige Auflösung, um Kleinstteile wie sie etwa in der Medizintechnik, MEMS oder Elektronik benötigt werden, formtreu wiederzugeben. Der Photonic Professional GT ebnet somit gänzlich neue Perspektiven für wissenschaftliche und industrielle Applikationen.

Hochauflösende Strukturierung mittels 3D-Laserlithografie: Optisches Sicherheitsmerkmal im Vergleich zu einer 1-Cent-Münze.

Vielfältige Anwendungen
In weiteren Prozessschritten können die gedruckten 3D-Objekte als Master für die Abformung in metallische, halbleitende, anorganische oder organische Materialien dienen, zum Beispiel in Gold, Siliziumdioxid, Silizium oder PDMS. Hier wird unter anderem von der elektrischen Leitfähigkeit, den optischen oder mechanischen Eigenschaften oder auch der Biofunktionalität der Zielmaterialien Gebrauch gemacht.

Dank der nahezu unbegrenzten Designfreiheit und Individualisierungsmöglichkeiten sind die Einsatzgebiete der Nanoscribe Systeme äusserst vielfältig. Die Anwendungen reichen von der Herstellung dreidimensionaler Strukturen und künstlicher Materialien für die Optik und Photonik, über komplexe Strukturen für die Mikrofluidik bis hin zur Herstellung massgeschneiderter dreidimensionaler Template für biologisches Zellwachstum. Auch die Herstellung von Mikromaschinen, das Tissue Engineering oder der Einsatz in den Bereichen MEMS und Mikrorobotik werden immer bedeutender. Dazu nachfolgend ein paar Beispiele.

3D-gedruckte Photonische Wire Bonds (PWB) könnten eine Lösung für die zukünftige Highspeed-Datenkommunikation sein.

MEMS
MEMS (microelectromechanical systems) bezeichnet das Feld miniaturisierter, aufeinander abgestimmter Systeme bestehend aus Sensoren, Aktoren und Mikrostrukturen. Für Anwendungen in der Mikrorobotik bringt man zum Beispiel spezielle Mikrostrukturen in wässrige Medien ein, wodurch es möglich wird, diese mit optischen Pinzetten zu greifen und zu bewegen. Diese Funktion beruht darauf, dass stark fokussiertes Licht auf mikroskopische Objekte Kraft ausübt, die dadurch zum fokussierten Lichtstrahl gezogen werden. Forscher der ETH Zürich zeigten bereits, dass sich damit mikrooptische Objekte als eine Art optisch angeregte Mikroroboter frei im dreidimensionalen Raum bewegen lassen 1.

Tissue Engineering auf Basis der Daten eines μ-CTs vom menschlichen Oberschenkelhalsknochen.

Die Mikrointegration ist derzeit eines der ökonomisch bedeutendsten Forschungsgebiete der Optik. Sie bezeichnet die drastische Kosten- und Bauraumreduzierung optischer Funktionselemente. Diese extrem leistungsfähigen optischen Schaltungen könnten in ein paar Jahren zum Standard in vielen Anwendungsbereichen wie zum Beispiel der Telekommunikation, Medizintechnik, Konsumelektronik oder auch der Anlagensteuerung werden. Im Rahmen der bundespolitischen «Hightech-Strategie 2020» ist Nanoscribe Mitglied des BMBF-Projektes «Phoibos-Photonische Wirebonds für optische Multi-Chip-Systeme». Erstmals ist Phoibos-Projektleiter Prof. Dr. Christian Koos vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hier die optische Verdrahtung optoelektronischer Chips gelungen. Dabei wurden mikrometerkleine polymere Lichtwellenleiter, sogenannte photonische Wirebonds (PWB), direkt auf siliziumbasierten Komponenten realisiert. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können auf diese Weise optimal angepasste, optische Schnittstellen erzeugt werden, die die Basis für optische Multi-Chip-Module bilden.

Gedrucktes Mini-Zahnrädchen mit Drehmechanismus und einer Grösse von 3,5x2 mm. Ein Beispiel für die Möglichkeiten des 3D-Drucks zur Funktionsintegration.

Biowissenschaften und Medizintechnik
Auch im Bereich der Biowissenschaften und Medizintechnik hat sich der 3D-Druck aufgrund der nahezu unbegrenzten Designfreiheit, Variabilität und geringen Kosten bei der Einzelstückfertigung bereits zu einem Standardwerkzeug entwickelt. Denkt man in diesem Zusammenhang meist an additiv gefertigte Handprothesen oder Zahnersatz, so sollen in naher Zukunft insbesondere sehr kleine «menschlichen Bauteile» sowie körperähnliche Strukturen per 3D-Druck realisiert werden. Einer Forschungsgruppe des Italian Institute of Technology (IIT), Center for Micro-BioRobotics@SSSA ist es kürzlich gelungen, körperähnliche Knochenstrukturen, die durch ein μ-CT gewonnen wurden, mit einem Nanoscribe System «nachzudrucken» 2.

Nanoscribe GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen (D)

Quellenverzeichnis
1 Hybrid Helical Magnetic Microrobots Obtained by 3D Template-Assisted Electrodeposition. M.A. Zeeshan, R. Grisch, E. Pellicer, K.M. Sivaraman, K.E. Peyer, J. Sort, B. Özkale, M.S. Sakar, B.J. Nelson, S. Pané, Small, Volume 10, Issue 7, pages 1284 bis 1288, (2014).
2 Biomimicry at the nanoscale: current research and perspectives of two-photon polymerization. A. Marino, C. Filippeschi, V. Mattoli, B. Mazzolai and G. Ciofani, Nanoscale, 2015, 07, 2815 bis 3320.



Community Führer Maschinen-, Metall, Elektro- und Elektronikindustrie der Schweiz 31 / 2017