3D-nanoprinter kan nu ook als tafelmodel

De lasers in de huidige laserprinters voor papieren afdrukken zijn piepklein. Voor 3D-laserprinters die driedimensionale micro- en nanostructuren printen, daarentegen, waren tot dusver grote en dure lasersystemen nodig. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Heidelberg gebruiken nu een andere methode. Deze tweefasige absorptie werkt met kleine blauwe laserdiodes die niet duur zijn, aldus het KIT in een persbericht. Hierdoor is het mogelijk met veel kleinere printers te werken. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.

Voor Additive Manufacturing (AM) met 3D-printen is laserprinten tegenwoordig de methode bij uitstek. Het biedt de beste ruimtelijke resolutie van alle methoden en tegelijkertijd een extreem hoge printsnelheid. Bij laserdruk wordt een gerichte laserstraal gericht op een lichtgevoelige vloeistof. In het brandpunt zet het laserlicht een schakelaar om in speciale moleculen die een chemische reactie op gang brengt. Dit leidt tot een plaatselijke verharding van het materiaal. Door het brandpunt te verschuiven, kunnen alle micro- en nanostructuren worden geproduceerd.

De chemische reactie wordt veroorzaakt door zogenaamde tweefotonenabsorptie. Twee lichtdeeltjes (fotonen) exciteren het molecuul gelijktijdig, waardoor de gewenste chemische verandering optreedt. Deze gelijktijdige excitatie is echter uiterst zeldzaam, zodat complexe gepulseerde lasersystemen moeten worden gebruikt, hetgeen op zijn beurt resulteert in grotere afmetingen voor de laserprinter.

Compactere 3D-printers

Compactere, kleinere printers zijn daarentegen mogelijk met het zogenaamde tweefasenproces. Hier brengt het eerste foton de molecule in een tussentoestand. In de tweede fase brengt een tweede foton de molecule uit de tussentoestand in de gewenste eindtoestand – en start de chemische reactie. Het voordeel: dit hoeft niet gelijktijdig te gebeuren zoals bij tweefotonenabsorptie.

Ook interessant: Geautomatiseerd lab gaat voor revolutie in innovatie zorgen

“Daarom slaagt het proces met compacte en laagvermogen continu-golf laserdiodes”, verklaart Vincent Hahn, eerste auteur van de publicatie, van het Instituut voor Toegepaste Fysica (APH) aan het KIT. De hiervoor vereiste laservermogens zijn zelfs aanzienlijk lager dan die van in de handel verkrijgbare laserpointers. Voor dit drukprocédé moeten echter specifieke fotoresisten worden gebruikt. “De ontwikkeling van deze fotoresisten heeft verscheidene jaren geduurd en was ook alleen mogelijk door samenwerking met chemici,” legt professor Martin Wegener van het APH uit.

Gemakkelijker en beter

“In de publicatie laten we zien dat het idee werkt, en zelfs beter dan met de tot nu toe gebruikte tweefotonenabsorptie”, zegt Hahn. Voor Wegener is het voordeel bij de toepassing duidelijk: “Het maakt al een aanzienlijk verschil of je een femtoseconde-laser ter grootte van een doos nodig hebt voor enkele tienduizenden euro’s of een halfgeleiderlaser ter grootte van een speldenknop voor minder dan tien euro. Nu is het tijd om ook de andere componenten van de 3-D laser nanoprinter te miniaturiseren. Een apparaat ter grootte van een schoenendoos lijkt mij de komende jaren vrij realistisch. Dat zou nog kleiner zijn dan de laserprinter op mijn bureau bij KIT.”

Zo kunnen 3D-lasernanoprinters plots betaalbaar worden voor vele groepen. Deskundigen hebben het al over de democratisering van de 3D-printtechnologie.

Foto: Reconstructie van een 3-D nanostructuur die geprint is met het tweestapsproces zichtbaar gemaakt met een elektronenmicroscoop (links) en een lichtmicroscoopbeeld (rechts) (Foto: professor Rasmus Schröder, Universiteit van Heidelberg, Vincent Hahn, KIT)