Photochemie und 3D-Druck

Themenbroschüre Photochemie und 3D-Druck

Themenbroschüre Photochemie und 3D-Druck

Additive Verfahren für die direkte Herstellung von Funktionsteilen werden in der Forschung fortlaufend optimiert. Für Anwendungen in der Optik und Medizintechnik entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT lasergestützte 3D-Druckverfahren zur Herstellung von mikroskaligen Polymerstrukturen.

3D-Druck umfasst unter anderem additive Laserfertigungsverfahren, bei denen basierend auf digitalen 3D-Daten ein Bauteil hergestellt wird. Im Gegensatz zu abtragenden Verfahren wie Fräsen, Drehen oder Bohren werden beim 3D-Druck Bauteile durch Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material gefertigt. Am Fraunhofer ILT werden unter anderem 3D-Druckverfahren verwendet, die auf der photochemischen Aushärtung von so genannten Photoharzen basieren. Im Gegensatz zu Schmelz- oder Sinterverfahren, bei denen thermische Energie verwendet wird, bewirkt die Laserstrahlung hier eine ortselektive Initiierung von photochemischen Reaktionen wie Polyaddition oder Polymerisation. Diese Reaktionen führen zur Aushärtung der Flüssigkeit, wodurch Polymerbauteile schichtweise gefertigt werden können. Die Auflösung reicht dabei von wenigen bis hin zu einigen hundert Mikrometern für den schnellen Aufbau größerer Strukturen.

Photochemie im 3D-Druck

Photochemie umfasst eine Gruppe von Reaktionen, die durch die Einwirkung von Licht initiiert werden. Dabei können bestimmte Reaktionen direkt, andere nur durch die Zugabe eines Photoinitiators beziehungsweise eines Photosensibilisators initiiert werden. Die Polymerisation der flüssigen Photoharze wird örtlich durch eine gesteuerte Bestrahlung kontrolliert. Das kann mit Hilfe eines Laserscanners (Stereolithographie SLA) oder eines Belichters ähnlich einem Videobeamer (Digital Light Processing DLP) erfolgen. Dabei werden kleine Monomermoleküle zu großen vernetzten Polymermolekülen verknüpft. Die Eigenschaften der so gedruckten Bauteile hängen von verschiedenen Prozess- sowie Materialparametern ab. Wissenschaftler am Fraunhofer ILT arbeiten an der Herstellung von Funktionsbauteilen wie zum Beispiel biokompatiblen Bauteilen. Durch die optimale Abstimmung der Materialzusammensetzung auf die Prozessparameter können die Produkteigenschaften gezielt beeinflusst werden

Biokompatible Funktionsteile

Durch Biofabrikation – einer Kombination generativer Verfahrenstechniken mit Erkenntnissen aus der Zellbiologie und der chemischen Materialentwicklung – ist es möglich, biologische Gewebe zu reparieren oder sogar ganz zu ersetzen (Tissue Engineering). Wissenschaftler des Fraunhofer ILT arbeiten an der additiven Herstellung von Gerüststrukturen, die mit körpereigenen Zellen besiedelt und kultiviert werden können. Durch die Verwendung von mechanischen und biologischen Stimuli lassen sich dadurch künstliche gewebeähnliche Strukturen herstellen. Für diese Anwendung stellen unsere Wissenschaftler Gerüststrukturen mittels 3D-Druck aus Polymeren und Biostoffen her. Die Verwendung der Thiol-En Click Chemie für die Polymerisierung in Kombination mit einer speziellen Prozessführung erlaubt die Herstellung von Gerüststrukturen, die den biomechanischen Anforderungen im Hinblick auf die mechanische Stabilität, Elastizität und Biokompatibilität genügen.

Mehr-Photonen-Polymerisation

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von biokompatiblen (Mikro-) Strukturen mit gezielten mechanischen Eigenschaften ist die Mehr-Photonen-Polymerisation (MPP). Dies ist ein hochauflösender 3D-Druckprozess, mit dem Monomere ebenso wie Proteine sowohl mit als auch ohne Initiator polymerisiert werden. Dabei wird mit hochfokussierter, ultrakurz gepulster Laserstrahlung gearbeitet, was zu einem nichtlinearen Absorptionsprozess in einem hochlokalisierten Volumenpixel (Voxel) führt. Die Auflösung der erzeugten Strukturen liegt im Sub-Mikrometerbereich.

Im Gegensatz zu Prozessen, die auf linearer Absorption basieren, wird hier nur das Fokusvolumen beeinflusst. Dadurch ergeben sich neue Prozessmöglichkeiten wie die Erzeugung von Mikrostrukturen in geschlossenen Systemen, beispielsweise in Mikrofluidikbauteilen. Die hohe Auflösung bedingt allerdings auch eine geringe Prozessgeschwindigkeit. Am Fraunhofer ILT werden Mehr- und Ein-Photonen-Prozesse kombiniert, um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen und deren Nachteile zu kompensieren.

Transparente Funktionsteile

Neben den mechanischen und zellbiologischen Eigenschaften sind auch die optischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile von Bedeutung. Forscher am Fraunhofer ILT streben an, hochbrechende Polymere für den 3D-Druck zu etablieren und für Ein- und Mehr-Photonen-Prozesse verwendbar zu machen. Mit diesem Ansatz entwickeln sie neue, maßgeschneiderte Fertigungsmethoden für Consumer-Optiken und lichtformende Elemente wie Fresnel-Linsen, LED-Kollimatoren und Mikrolinsen.