Eine bahnbrechende Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik, die von Forschern der Purdue University entwickelt wurde, ebnet den Weg für einen zugänglicheren und kostengünstigeren hochauflösenden 3D-Druck mit potenziellen Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Elektronik, biomedizinische Mikroroboter und Gerüste für die Gewebezüchtung.
Forscher der Purdue University haben eine bahnbrechende Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik vorgestellt, die die Kosteneffizienz und Zugänglichkeit des hochauflösenden 3D-Drucks revolutionieren soll.
Die Methode nutzt eine neuartige Kombination aus einem relativ kostengünstigen Laser, der Nanosekundenpulse aussendet, und einem Femtosekundenlaser mit reduzierter Leistung. Dieser Fortschritt könnte den Einsatz von hochauflösendem 3D-Druck in verschiedenen Bereichen demokratisieren, darunter Elektronik, biomedizinische Geräte und Gewebezüchtung.
„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 Xianfan Xu, der Teamleiter der Studie und James J. und Carol L. Shuttleworth Professor für Maschinenbau an der Purdue University, in einem Pressemitteilung„Auf diese Weise lässt sich bei gleicher Femtosekundenlaserleistung der Druckdurchsatz erhöhen, was zu geringeren Kosten für den Druck einzelner Teile führt.“
Traditionell werden bei der Zwei-Photonen-Polymerisation teure Femtosekundenlaser eingesetzt, um komplexe Mikrostrukturen herzustellen. Diese Laser sind zwar effektiv, aber ihre hohen Kosten haben die breite Anwendung dieser Technik in Fertigungsprozessen eingeschränkt.
Der neue Ansatz des Teams könnte dieses Paradigma jedoch ändern, indem er den Laserleistungsbedarf deutlich reduziert – den Ergebnissen zufolge um bis zu 50 %. veröffentlicht im Journal Optics Express der Optica Publishing Group.
„3D-Druck mit hoher Auflösung hat viele Anwendungen, darunter 3D-Elektronikgeräte, Mikroroboter für den biomedizinischen Bereich und 3D-Strukturen oder Gerüste für die Gewebezüchtung“, fügte Xu hinzu. „Unser neuartiger 3D-Druckansatz kann problemlos in viele bestehende Femtosekundenlaser-3D-Drucksysteme implementiert werden.“
Das Forschungsteam wollte die Druckgeschwindigkeit erhöhen und gleichzeitig die Kosten senken. Dabei konzentrierte es sich auf die präzisen photochemischen Prozesse, die bei der Zwei-Photonen-Polymerisation ablaufen. Bei herkömmlichen Verfahren löst der Femtosekundenlaser eine entscheidende photochemische Reaktion aus, die dem eigentlichen Drucken vorausgeht. Xu und sein Team verwendeten für diesen Schritt auf innovative Weise einen kostengünstigeren 532-nm-Nanosekundenlaser und verringerten so die Arbeitslast des Femtosekundenlasers.
Diese Technik erforderte einen heiklen Balanceakt zwischen Drucken und Hemmung durch die beiden Laser. Die Forscher entwickelten ein mathematisches Modell, um diese photochemischen Prozesse zu analysieren und die optimale Wechselwirkung zwischen der Einzelphotonenanregung durch den Nanosekundenlaser und der Zweiphotonenanregung durch den Femtosekundenlaser zu ermitteln.