Drucken in 3D wird heute für immer mehr. 3D-Drucken auf der Mikrometerskala

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1 34 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G 3D-Drucken auf der Mikrometerskala War die 3D-Laserlithografie aufgrund ihres Arbeitsprinzips bisher recht langsam, gelingt mithilfe drehbarer Galvospiegel nun eine Geschwindigkeitssteigerung bis um das HUNDERTFACHE. Die enorme Anwendungsbreite des Verfahrens kann damit auch unter industriellen Bedingungen erschlossen werden. Bild 1. Strukturen mit Detailgrößen und einer Auflösung im Submikrometerbereich sind Standard in der neuen 3D-Drucktechnologie. Rechts: ein gedrucktes Miniatur-Raumschiff. Die Druckzeit beträgt weniger als eine Minute; links: Das Empire State Building im Miniaturformat misst 220 µm in der Höhe ELLEN-CHRISTINE REIFF UND MARTIN HERMATSCHWEILER Drucken in 3D wird heute für immer mehr Bereiche interessant. Der Bogen spannt sich vom Rapid Prototyping über die Kleinserienfertigung bis hin zum Digital Manufacturing beispielsweise von Prothesen oder gar Filmrequisiten. So ging im letzten James-Bond-Film Skyfall nur ein im 3D-Druck hergestelltes Modell des legendären Aston Martin in Flammen auf und nicht das unersetzliche Original. Zu den weiteren Einsatzgebieten des dreidimensionalen Hightech-Druckens zählen auch die Optik und Photonik, die Optoelektronik, die Biomimetik sowie die Mikrofluidik, die Materialwissenschaften, die Biotechnologie sowie MEMS. Hier nutzt man die 3D-Laserlithografie, um komplexe dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aus photosensitiven Materialien herzustellen. Mit der Weiterentwicklung des Druckverfahrens kann nun hundertmal schneller als mit bisherigen Lösungen gearbeitet werden. Die drastische Reduktion der Druckzeit bietet völlig neue Möglichkeiten und ebnet den Weg zu industriellen Applikationen. Die 3D-Laserlithografie kann vollautomatisch nahezu beliebige dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen realisieren. Sie basiert auf der Technik des > KONTAKT HERSTELLER Nanoscribe GmbH Eggenstein-Leopoldshafen Tel Fax LASER World of Photonics: Halle C2, Stand 208 Bilder: Nanoscribe MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 03/13

2 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G l S 35 Bild 2. Der weltweit schnellste kommerziell erhältliche 3D-Drucker für Mikro- und Nanostrukturen direkten Laserschreibens oder der Zwei-Photonen- Lithografie, mit der sich eine Vielzahl photosensitiver Materialien beschreiben lässt. Eine Analogie, die die Funktionsweise verdeutlicht, ist die Bündelung des Laser Micromachining for Industrial Applications and R&D 3D-Micromac AG First Choice in Laser Micromachining Sonnenlichts mit einer Lupe, um beispielsweise ein Blatt Papier zu entzünden. Bei der 3D-Laserlithografie wird üblicherweise durch die Bündelung ultrakurzer, nah-infraroter Laserimpulse ein lichtempfindliches, unter dem Einfluss von UV-Licht aushärtendes Material im Laserfokus polymerisiert. Nach einem Entwicklerbad bleiben dann die beschriebenen Bereiche als frei - tragende Mikro- und Nanostrukturen stehen. Die Auf- - der Besuchen Sie uns zur Laser World of Photonics 2013 Neue Messe München Halle C2, Stand 454! First Choice in micromachining 3D-Micromac AG Fax: MIKROPRODUKTION 03/13

3 36 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bild 3. Im Rasterelektronenmikroskop ist die zugrunde liegende Struktur der optischen Tarnkappe (blau) unter der Wölbung des Goldfilms (gelbrot) erkennbar (Foto: M. Wegener, CFN, Karlsruher Institut für Technologie) Bild 4. Die 3D-Laserlithografie bietet nahezu grenzenlose Möglichkeiten in der Fertigung mikrooptischer Bauelemente lösung und Präzision des Druckverfahrens übertrifft gängige 3D-Druckverfahren wie die Stereolitho - grafie um ein Vielfaches. Strukturen mit Detail - größen und einer Auflösung im Submikrometer - bereich sind Standard (Bild 1). Bisher war die 3D-Laserlithografie aufgrund ihres Funktionsprinzips zwar hochpräzise, aber für industrielle Anwendungen häufig zu langsam. Während des Schreibvorgangs blieben Laser und Fokus üblicherweise fix, das Objekt beziehungsweise die Probe wurde entsprechend der dreidimensionalen Schreibaufgabe bewegt. Aufgrund der Trägheit der bewegten Masse und je nach Komplexität und Volumen des gewünschten Objekts dauerte die Herstellung zuweilen bis zu mehreren Stunden oder sogar Tage. Aus Minuten werden Sekunden Den Anwenderwunsch nach höheren Druckgeschwindigkeiten im Mikro- und Nanometerbereich hat die Karlsruher Firma Nanoscribe jetzt in die Praxis umgesetzt. Mit dem Photonic Professional GT wurde der weltweit schnellste kommerziell erhältliche 3D- Drucker für die Mikro- und Nanostrukturierung entwickelt und Anfang dieses Jahres auf den Markt gebracht (Bild 2). Winzige dreidimensionale Objekte, zumeist wesentlich kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars, können nun innerhalb kürzester Zeit und in höchster Auflösung hergestellt werden. Die Schreibdauer für das circa 125 µm lange Raumschiff (Bild 1, rechts) reduziert sich mit dem neuen 3D-Drucker von mehreren Stunden auf weniger als eine Minute bei gleichbleibender Strukturqualität. Den Schlüssel zu dieser Geschwindigkeitssteigerung liefert ein neuartiges Verfahren: Für die flächige Belichtung muss die Probe nun nicht mehr bewegt werden, stattdessen wird der Laserstrahl über drehbare Galvospiegel abgelenkt. Dies übersetzt sich in eine laterale Translation des Laserfokus im photosensitiven Material. Ähnliche Galvosysteme kennt man beispielsweise von Lasershow-Geräten oder von den Abtasteinheiten in CD- und DVD-Laufwerken. Durch die hochdynamische Drehbewegung der leichten Spiegel wird die drastische Geschwindigkeitssteigerung bis um das 100-Fache realisiert. Die Galvotechnologie ist somit für die Beschleunigung des 3D-Druckvorgangs von wesentlicher Bedeutung. Um großflächige Strukturen auf die Probenoberfläche zu bringen, ist zusätzlich ähnlich wie beim Verlegen von Fliesen ein nahtloses und akkurates Aneinanderfügen und Ausrichten (horizontal wie vertikal) der Schreibfelder beziehungsweise der Schreibvolumina, sogenannter Stitchings, notwendig. Dies wird durch sehr präzise Positioniereinheiten sowie durch ein optisches Referenzieren des Laserfokus (Autofokus) erreicht. Um auch hohe Bauteile mit gleichzeitig bester Auflösung zu drucken, kann die physikalische Limi - tierung der Bauhöhe auf den Arbeitsabstand des fokussierenden Objektivs hoher numerischer Aper- Bilder: Nanoscribe/KIT MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 03/13

4 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G l S 37 tur mittels der Dip-in-Laser-Lithografie (DiLL) überwunden werden. Zudem ermöglicht DiLL eine einfache und rasche Umsetzung der gewünschten Strukturen, die per CAD-Software entworfen und direkt weiterverarbeitet werden können. Speziell für diese Technik entwickelte Photolacke, die zugleich als Immersionsflüssigkeiten fungieren, ermöglichen Bauhöhen bis in den mm-bereich (Bild 1, links). Materialien und Workflow Für den 3D-Druck auf der Mikroskala eignen sich eine Vielzahl photosensitiver Materialien wie IP-Lacke, AZ-Lacke, SU-8, Ormocere oder chalkogenide Gläser. Je nach Photochemie können im Entwicklerbad entweder die unbelichteten (Negativton-Lacke) oder die belichteten Bereiche (Positivton-Lacke) nasschemisch herausgelöst werden. Einen erweiterten Nutzen entfalten diese Mikrostrukturen oftmals zusätzlich in anderen funktionellen Materialien als den zumeist polymeren Ausgangsmaterialien. Die gedruckten 3D- Objekte können in weiteren Prozessschritten als Master für die Abformung in metallische, halbleitende, anorganische oder organische Materialien dienen, zum Beispiel in Gold, Silizium dioxid, Silizium oder PDMS. Hier wird unter anderem von der elektrischen Leitfähigkeit, den optischen oder mechanischen Eigenschaften sowie der Biofunktionalität der Ziel - materialien Gebrauch gemacht. Trotz dieser zahlreichen Möglichkeiten und technischen Feinheiten orientiert sich der Workflow an 3D- Druckerstandards und ist somit einfach, intuitiv und benutzerfreundlich: Die gewünschten Strukturen werden mit CAD-Software entworfen und in die Formate DXF oder STL exportiert. Aus diesen wird dann der Druckauftrag generiert. Alternativ kann der Druck - auftrag auch mit der Skript-Sprache GWL, die speziell auf die Bedürfnisse der 3D-Mikro- und Nanostrukturierung ausgelegt ist, programmiert werden. Mehr als 100 Befehle ermöglichen eine umfassende Kontrolle über alle für den Schreibprozess relevanten Para - meter. Die native Software liefert zudem eine Abschätzung der Schreibdauer, eine Printvisualisierung und warnt bei fehlerhaften Eingaben. Anschließend wird das photosensitive Material in flüssiger, viskoser oder fester Form auf ein Substrat als Trägermaterial aufgebracht, auf einem Substrathalter montiert in das Druckfach geschoben und der Druck - vorgang gestartet. Je nach Photochemie kann der Prozessfortschritt sogar live per Kamera beobachtet werden. Nach Beendigung des Druckvorgangs wird das Substrat entnommen und nasschemisch entwickelt.

5 38 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bild 5. Hierarchische Strukturen für Studien zum Geckoeffekt (Foto: M. Röhrig, Karlsruher Institut für Technologie) Als Allrounder wird das 3D-Druckverfahren dabei keineswegs nur für dreidimensionale Schreibauf - gaben eingesetzt. Es entfaltet seine Stärken (Auf - lösung und Druckgeschwindigkeit) insbesondere auch in der 2D- (digitale Topologie) sowie 2,5-D-Strukturierung (geschlossene, replizierend abformbare Ober - flächen ohne Unterschnitte mit dreidimensionaler Topologie) im Mikro- und Nanometerbereich. Neue Lösungsansätze für die Technik von morgen In vielen Anwendungsbereichen erschließen sich dem neuen, schnellen und dabei gleichzeitig hochgenauen 3D-Druckverfahren neue Möglichkeiten. Im Bereich der optischen Metamaterialien konnte mit dieser Technologie bereits das Konzept einer optischen Tarnkappe umgesetzt werden. Bis die Tarnkappe für uns so selbstverständlich wird wie für Harry Potter, hat das Forschungsfeld der Transformationsoptik aber noch einen langen Weg vor sich. Der Gruppe um Professor Martin Wegener am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelang es jedoch mit einer dreidimensionalen Polymerstruktur erfolgreich, das Funktionsprinzip einer Tarnkappe zu demonstrieren [1]. Kernelement des Experiments ist dabei eine mit dem 3D-Laserlithografieverfahren hergestellte Polymerstruktur mit lokal modulierter optischer Brechzahl. Erreicht wird dieser kontinuierliche Brechzahlgradient durch die lokale Variation der Porosität der gedruckten Polymerstruktur, die damit einem unterschiedlich dicht gepackten Holzstapel ähnelt. Der Stapel weist eine kleine Wölbung auf und ist mit einem dünnen Goldfilm bedeckt (Bild 3). Das Design des Brechzahlgradienten ist so gewählt, dass Licht, welches senkrecht auf die Struktur trifft, derart reflektiert wird, als ob der Metallfilm eben wäre. Für den Betrachter bleibt die Wölbung daher verborgen beziehungsweise getarnt. Die Fertigung mikrooptischer und photonischer Bauteile wie optische Filter, Wellenleiter, Polarisa - toren, Strahlteiler, Koppler oder Sensoren profitiert ebenfalls von der hohen Auflösung und Fertigungsgeschwindigkeit. Bei der Herstellung von Mikrooptik- Arrays (Bild 4) ermöglicht das neue Verfahren größtmögliche Freiheit im Design, sei es in der Topologie, der Flankensteilheit oder der Eliminierung von Tot - zonen. Zudem ermöglicht die additive Fertigung mithilfe sogenannter Negativton-Lacke einen robusten, reproduzierbaren Fertigungsprozess. Aktuell wird auch in der Wissenschaft nach Möglichkeiten geforscht, konventionelle Elektronik durch optische Schaltungen zu ersetzen, da sich mit ihrer Hilfe Kommunikationsprozesse schneller und zugleich energieeffizienter gestalten lassen. Polymere Lichtwellenleiter zur Verbindung optischer Chips untereinander werden mithilfe der 3D-Drucktechnik hergestellt und erlauben bereits heute Datenüber - tragungsraten von mehr als 5 Tbit/s [2]. Auch in den Lebenswissenschaften beschäftigt sich die Biomimetik (oder auch Bionik) mit dem Über- Bilder: Nanoscribe/KIT MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 03/13

6 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G l S 39 Bild 6. Magnet feldangetriebene Mikromaschinen in Helixform könnten zum Beispiel als Träger für Medikamente fungieren (Foto: ETH Zürich) tragen von Phänomenen der Natur auf die Technik. Geckos beispielsweise sind aufgrund der hierarchischen Struktur ihrer Fußsohlen imstande, auf nahezu beliebigen Oberflächen Haftung zu finden ohne jegliche chemische Klebstoffe (Bild 5). Für experimentelle Studien ist die 3D-Laserlithografie Voraussetzung, um diese Eigenschaften zu untersuchen und zu verstehen [3]. Des Weiteren wird die 3D-Laserlithografie zum Rapid Prototyping mikro- und nanofluidischer Sys - teme und zu deren Kleinserienfertigung eingesetzt. Die Palette der Möglichkeiten reicht hier vom Ein fügen von Misch- und Filterelementen in mikrofluidische Kanäle bis hin zur Fertigung von Mikro - nadeln oder Mikromaschinen [4] zur effizienten und lokalen Abgabe von Medikamenten in Kleinst - mengen (Bild 6). Dies bildet die Basis für inte - grierte Lab-on-a-Chip-Systeme. MI AUTOREN ELLEN-CHRISTINE REIFF ist Fachjournalistin im Redaktionsbüro Stutensee; kontakt@rbsonline.de MARTIN HERMATSCHWEILER ist Geschäftsführer der Nanoscribe GmbH in Eggenstein-Leopoldshafen; hermatschweiler@nanoscribe.de LITERATUR 1 Ergin, T.; Stenger, N.; Brenner, P.; Pendry, J. B.; Wegener, M.: Three-dimensional invisibility cloak at optical wavelengths, Science 328, 337 (2010) 2 Lindenmann, N.; Balthasar, G.; Hillerkuss, D.; Schmogrow, R.; Jordan, M.; Leuthold, J.; Freude, W.; Koos, C.: Photonic wire bonding: a novel concept for chipscale interconnects, Optics Express 20, (2012) 3 Röhrig, M.; Thiel, M.; Worgull, M.; Hölscher, H.: 3D-Direct-Laser-Writing of Nano- and Microstructured Hierarchical Gecko-Mimicking Surfaces; Small 19, 2918 (2012) 4 Tottori, S.; Zhang, L.; Qiu, F.; Krawczyk, K.K.; Franco- Obregón, A.; Nelson, B. J.: Magnetic Helical Micro - machines: Fabrication, Controlled Swimming, and Cargo Transport; Advanced Materials 24, 709 (2012) ERGÄNZENDE PRÄZISION Zwei Maschinen, die für sich genommen schon durch höchste Präzision glänzen, erreichen im Zusammenspiel Ergebnisse maximaler Güte. In der Werzeugfertigung mit den Stoffen PKD und CBN liefern der RayCutter und der PreCutter von LASERPLUSS Ergebnisse mit µm-genauigkeiten. Hochharte Werkstoffe können mit dem PreCutter in 5 Achsen fein geschnitten und mit dem RayCutter mit 3D-Präzisionsabtrag bearbeitet werden. Mikrozahnrad, Ø 0,7 mm, CVD-Diamant Vermessung nach der Bearbeitung Werkzeugeinsatz mit PKD-Schneide LASERPLUSS AG Mühlwiesenstraße 10a D Kirschweiler Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@laserplussag.de MIKROPRODUKTION 03/13