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Hopro-3D – schnelles und präzises 3D-Drucken

| Redakteur: Simone Käfer

Entweder schnell oder präzise – beides geht nicht bei der Additiven Fertigung feiner Polymerstrukturen mit dem Laser. Oder doch? Die Kombination von Stereolithografie und Multiphotonen-Polymerisation soll es möglich machen.

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Ziel ist es, mit der Kombi-Maschine verzweigte Mikroröhren ebenso wie komplette Mikrofluidiksysteme herzustellen.
Ziel ist es, mit der Kombi-Maschine verzweigte Mikroröhren ebenso wie komplette Mikrofluidiksysteme herzustellen.
(Bild: © Fraunhofer ILT, Aachen)

Hopro-3D steht für „Hohe Produktivität und Detailtreue in der additiven Fertigung durch Kombination von UV-Polymerisation und Mehrphotonenpolymerisation”. Dabei handelt es sich um ein Projekt des Fraunhofer-ILT, indem eine Maschine entstehen soll, die selbstständig zwischen zwei additiven Verfahren wechselt. Der Sinn davon ist, dass die Maschine makroskopische, also mit bloßem Auge sichtbare, Polymerstrukturen mit Auflösung bis in den Submikrometerbereich herstellt. An sich ist das nicht neu, denn dafür gibt es bereits verschiedene Verfahren: Die UV-Polymerisation auf Basis von Lasern, wie die Stereolithografie (SLA) oder die Mikrospiegel-Arrays (DLP), sowie die Multiphotonenpolymerisation (MPP) im mikroskopischen Maßstab. Warum also ein neues entwickeln?

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 zum Teil 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 über 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 bis 100 nm in allen drei Raumrichtungen – die Aufbaurate liegt hier bei nur etwa 10 µm3 pro Sekunde.

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

Mit zwei Systemen in einer Maschine Zeit gewinnen

Die Projektpartner, Gemeinsam mit Lightfab, Bartels Mikrotechnik, Miltenyi Biotec und das Fraunhofer-ILT, kombinieren nun das DLP-gestützte Verfahren mit dem MPP-Verfahren und entwickeln eine Maschine mit zwei wählbaren Belichtungssystemen für entweder hohe Aufbauraten oder hohe Präzision. Sie nutzen Hochleistungs-LEDs mit einer Wellenlänge von 365 nm und einen DLP-Chip mit HD-Auflösung für die Lithografie. Für das MPP-Modul wird ein Femtosekundenlaser mit einem schnellen Scanner und Mikroskopoptik eingesetzt. „Der Vorteil besteht im Zusammenspiel beider Verfahren. Je nach Bedarf soll zwischen den Belichtungssystemen im Prozess gewechselt werden”, erklärt Dr. Martin Wehner, Projektleiter für Hopro-3D am Fraunhofer-ILT. „Die Herausforderung steckt damit in der Prozesssteuerung. Das Konzept steht, derzeit wird eine entsprechende Maschine aufgebaut.”

Zusätzlich wird auch eine Steuerungssoftware entwickelt, die anhand von CAD-Daten selbstständig entscheiden soll, wann ein Wechsel zwischen den zwei Quellen sinnvoll ist. Am Ende geht es darum, dass dieser Übergang reibungslos funktioniert und die Strukturen in einem Harzbad ohne Wechsel des Photoharzes aufgebaut werden können. Das Projektteam untersucht dafür verschiedene Materialien und optimiert die Prozesskombination im Detail.

Anwendungen nicht nur in der Biomedizin

Viele Bauteile haben einen Grundkörper, der schnell aufgebaut werden kann, und bestimmte Strukturen, die eine hohe Präzision erfordern. Durch die Verfahrenskombination können zum Beispiel optische Funktionselemente wie Linsen oder Prismen mit hoher Präzision direkt in ein größeres Bauteil integriert werden. Mit diesem Vorgehen ist auch die Fertigung kompletter Kollimationsoptiken für das Auslesen optischer Informationen in der Analysetechnik denkbar. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig, für die Herstellung von Bauteilen für die biomedizinische Analysetechnik dürfte die Maschine am interessantesten sein. Stützgerüste für 3D-Gewebemodelle (scaffolds), mikromechanische Bauteile oder komplette Mikrofluidiksysteme sind dafür typische Anwendungsbeispiele.

Das Projekt HoPro-3D mit Laufzeit von drei Jahren wird durch das Fraunhofer-ILT koordiniert und aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

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