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Additive Fertigung Winzige und komplexe 3-D-Objekte drucken

Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Idzko / Rainer Graefen

Wissenschaftler der ETH Zürich haben ein Verfahren für den Mikro-3-D-Druck entwickelt. Mit diesem können in einem Arbeitsschritt winzige, teils auch überhängende Strukturen aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.

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Mit einer beweglichen Mikropipette (blau) stellen die ETH-Forschenden winzige Kupferobjekte her.
Mit einer beweglichen Mikropipette (blau) stellen die ETH-Forschenden winzige Kupferobjekte her.
(Bild: ETH Zürich / Alain Reiser)

Bei den meisten bestehenden Mikro-3-D-Druckverfahren sind überhängende Strukturen nur mit einem Trick möglich: Eine zuvor angefertigte Schablone dient während des Druckprozesses als Platzhalter unter einem zu druckenden Überhang. Die Schablone muss nach dem Drucken entfernt werden.

Bei der neuen, von ETH-Doktorand Luca Hirt vom Labor für Biosensoren und Bioelektronik entwickelten Technik kann der Druckkopf auch freihängend seitwärts drucken. Überhänge können damit ohne Schablonen gedruckt werden.

Die neue Technik ist eine Weiterentwicklung des vor mehreren Jahren an der ETH Zürich entwickelten FluidFM-Systems.

Zentraler Bestandteil dieses Systems ist eine bewegliche, an eine Blattfeder gekoppelte Mikropipette, die präzise steuerbar ist. FluidFM wird heute vor allem in der biologischen Forschung und der Medizin verwendet, um beispielsweise Zellen zu sortieren und zu analysieren, sowie um Stoffe in einzelne Zellen zu injizieren. Das System wird seit drei Jahren vom ETH-Spin-off Cytosurge kommerziell vertrieben.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit an der ETH Zürich untersucht Luca Hirt die Möglichkeit, FluidFM auch für Druckverfahren zu verwenden. Insbesondere interessiert er sich dafür, damit in Lösung befindliche Metalle und andere Stoffe auf einer leitenden Grundplatte elektrochemisch abzuscheiden.

Elektrochemische Reaktion an der Spitze

Im nun entwickelten System funktioniert das so: Auf einer Grundplatte aus Gold befindet sich ein Flüssigkeitstropfen. In diesen ragt die Spitze der Mikropipette hinein und dient als Druckkopf. In der Pipette fließt langsam und konstant eine Kupfersulfatlösung.

Weil die Wissenschaftler mit einer Elektrode eine Spannungsdifferenz zwischen Flüssigkeitstropfen und Grundplatte anlegen, kommt es unter der Pipettenspitze zu einer elektrochemischen Reaktion: Das aus der Pipette austretende Kupfersulfat reagiert zu festem Kupfer, das sich als winziges 3-D-Pixel auf der Grundplatte abscheidet.

Indem die Forschenden die Mikropipette computergesteuert bewegen, können sie Pixel um Pixel und Schicht um Schicht dreidimensionale Objekte drucken. Die räumliche Auflösung hängt dabei von der Größe der Pipettenöffnung ab. Derzeit können die Wissenschaftler einzelne 3D-Pixel von 800 nm bis gut 5 µm Durchmesser erzeugen und sie zu größeren dreidimensionalen Objekten kombinieren.

Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie sind unterschiedlichste Mikroobjekte entstanden. Die hier in Mikroskopiebildern gezeigten Objekte sind 15 bis 35 Mikrometer breit.
Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie sind unterschiedlichste Mikroobjekte entstanden. Die hier in Mikroskopiebildern gezeigten Objekte sind 15 bis 35 Mikrometer breit.
(Bild: ETHZ / Luca Hirt)

Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie sind unterschiedlichste Mikroobjekte entstanden. Sie bestehen aus nicht-porösem, reinem Kupfer und sind mechanisch stabil, wie Untersuchungen von Wissenschaftlern der Gruppe von Ralph Spolenak, Professor für Nanometallurgie an der ETH Zürich, zeigten. Zu den eindrucksvollsten Objekten dürften drei ineinander verschachtelte Mikrospiralen gehören, welche die ETH-Forschenden in einem Arbeitsschritt und ohne Schablone herstellten.

"Nicht nur Kupfer, sondern auch andere Metalle lassen sich damit drucken", sagt Tomaso Zambelli, Privatdozent und Gruppenleiter am Labor für Biosensoren und Bioelektronik der ETH Zürich. Und selbst für den 3D-Druck von Polymeren und Verbundmaterialien könnte sich FluidFM eignen, sagt er.

Ein Vorteil der Methode gegenüber anderen Mikro-3-D-Druckverfahren ist, dass über die Auslenkung der Blattfeder, an welche die Mikropipette gekoppelt ist, die Kräfte gemessen werden können, die auf die Pipettenspitze wirken. "Dieses Signal können wir als Feedback nutzen. Im Gegensatz zu anderen 3-D-Druck-Systemen erkennt unseres, welche Bereiche des Objekts bereits gedruckt sind", sagt ETH-Doktorand Hirt. Dies helfe, den Druckprozess zu automatisieren.

Die Wissenschaftler haben die Methode zum Patent angemeldet. Das ETH-Spin-off Cytosurge hat die Methode von der ETH Zürich lizenziert. Ziel ist es jetzt, diese Anwendung in Zusammenarbeit mit interessierten Forschern an Hochschulen und in der Industrie zu optimieren. Erste Anwendungen sehen die Forscher im Bereich Rapid Prototyping.

Literaturangabe:

L Hirt et. al: Template-Free 3D Microprinting of Metal Using a Force-Controlled Nanopipette for Layer-by-Layer Electrodeposition. Advanced Materials, 19. Januar 2016, doi: 10.1002/adma.201504967

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