Nieuwe techniek maakt micro-3D-printers nauwkeuriger

Professor Dr. Georg von Freymann (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Te zien is een fotonische kwantumsimulator. De daadwerkelijke structuur bevindt zich in de binnenste blok en is zelfs onder deze vergroting niet zichtbaar. (Foto: werkgroep van Freymann)

De markt voor 3D-printers groeit: Met hen kunnen producten snel en eenvoudig worden vervaardigd. Maar ze worden niet alleen in de voor ons zichtbare wereld ingezet, maar ook in het nano- en microkosmos. Mogelijk maken dat speciale micro-3D-printers. Met deze techniek houden fysici van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) zich bezig. Zij hebben de functies van het lasersysteem dat hier wordt gebruikt zo uitgebreid dat ze daarmee veel complexere structuren kunnen maken. De techniek helpt bijvoorbeeld bij het produceren van nieuwe microstructuren voor de oppervlakken van onderdelen, om de wrijving te verminderen, maar ook om fundamenteel onderzoek in de kwantumfysica beter te kunnen doen.

De drukproducten waarmee de fysici onder leiding van professor Dr. Georg von Freymann op de campus van Kaiserslautern bezig zijn, zijn zo klein dat ze met het blote oog niet zichtbaar zijn, hoogstens als korreltjes. Ze zijn kleiner dan de diameter van een haar en de kleinste structuurdetails liggen in gebieden van ongeveer 100 nanometer. Alleen het rasterelektronenmicroscoop maakt ze en hun fijne vormen zichtbaar.

Mikro-3D-printers zijn al enkele jaren op de markt. Bij hen worden lithografische processen gebruikt die vergelijkbaar werken als de belichting bij vroegere fotografische films. "Een laserstraal belicht hierbij een viskeuze kunststofvloeistof," legt Georg von Freymann van de leerstoel voor Optische Technologieën en Fotonica uit. "De intensiteit van de laser is zo hoog dat er een lokale chemische reactie plaatsvindt en het kunststof uithardt." Daarbij geeft een computerprogramma de gewenste 3D-vorm aan. Nadat het belichte deel is uitgehard, kan de resterende vloeistof worden verwijderd.

De fysici uit Kaiserslautern werken al lang met deze techniek en ontwikkelen deze verder: ze hebben de functionaliteit van de printers uitgebreid. "We kunnen amplitude, fase en polarisatie van de laserstraal controleren," zegt de professor. Daarmee is het voor de onderzoekers mogelijk om met het drukproces veel complexere structuren te maken.

De techniek wordt in verschillende gebieden toegepast. In de Sonderforschungsbereich 926 "Componentenoppervlakken: morfologie op microschaal" werken de fysici bijvoorbeeld samen met collega's uit de afdeling werktuigbouwkunde en procestechnologie. Ze ontwikkelen nieuwe microstructuren voor de oppervlakken van onderdelen. "Op deze manier kan bijvoorbeeld de wrijving en daardoor de slijtage worden verminderd," zegt de professor. Zulke methoden zijn bovendien interessant om bijvoorbeeld de ophoping van cellen te controleren. "In veel gebieden hechten micro-organismen zich in de vorm van biofilms," noemt von Freymann als voorbeeld. Dit kan in ziekenhuizen zijn, maar ook bij productiefaciliteiten in de industrie. "Met speciaal gestructureerde oppervlakken kan dit worden voorkomen. Omgekeerd is het ook mogelijk om cellen gericht te plaatsen," bijvoorbeeld in onderzoek om celkweken beter te laten groeien.

Ook voor fundamenteel onderzoek is de laserprinttechniek van belang, bijvoorbeeld om fenomenen uit de kwantumfysica nauwkeurig te bestuderen. "We kunnen daarmee modellen ontwikkelen waarin we onder andere de posities van individuele atomen verschuiven. Dit is niet zo eenvoudig in echte vaste stoffen," zegt von Freymann. "We kunnen hiermee onderzoeken wat er op kwantumniveau gebeurt."

Von Freymann is bovendien betrokken bij het bedrijf Nanoscribe, dat in 2007 werd opgericht en dergelijke micro-3D-printers produceert. Recent heeft het bedrijf samen met het Instituut voor Nanotechnologie aan het Karlsruher Instituut voor Technologie de prijs voor technologische overdracht van de Deutsche Physikalische Gesellschaft ontvangen.