Antingen snabbt eller exakt – båda kan inte uppnås i produktionen av de finaste polymerstrukturerna med lasern. Eller kanske de kan? Att kombinera stereolitografi och multifotonpolymerisation borde göra det möjligt:​​Forskare vid Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT utvecklar en maskin för hög precision, kostnadseffektiva 3D-konstruktionstekniker som använder båda metoderna. Den 1 november, 2018, Fraunhofer ILT och dess projektpartners lanserade projektet "High Productivity and Detail in Additive Manufacturing through the Combination of UV Polymerization and Multi-Photon Polymerization – HoPro-3-D", som finansieras av Europeiska unionen och delstaten Nordrhein-Westfalen.

Tillsammans med LightFab GmbH från Aachen, Bartels Mikrotechnik GmbH från Dortmund och Miltenyi Biotec GmbH från Bergisch Gladbach, experter från Fraunhofer ILT utvecklar en ny maskin för att producera makroskopiska polymerstrukturer med en upplösning ner till submikrometerområdet. Än så länge, olika separata processer har funnits tillgängliga för detta ändamål:UV-polymerisation baserad på lasrar, Till exempel, till exempel, stereolitografi (SLA) eller micromirror arrays (DLP), och multifotonpolymerisation (MPP) i mikroskopisk skala.

I SLA-processen, en UV-laser skriver en tvådimensionell struktur i ett hartsbad, vilket får det ljuskänsliga materialet att polymerisera. Komponenten sänks steg för steg och en 3D-struktur byggs upp i lager. För det mesta, uppbyggnadshastigheten är långt över 1 mm³ per sekund. Nyare 3D-skrivare använder UV LED-ljusmotorer och ett DLP (Digital Light Processor)-chip istället för skannern. Detta gör att exponeringen kan parallelliseras, vilket ökar bygghastigheten. Båda metoderna uppnår en maximal upplösning över 10 μm.

Multifotonpolymerisationen är lämplig för att konstruera ännu finare strukturer. I denna process, den nödvändiga fotonenergin genereras av intensiva laserpulser med våglängder i det synliga eller infraröda området, med flera lågenergifotoner som praktiskt taget blir en UV-foton. Fördelen är den extremt höga precisionen på upp till 100 nm i alla tre rumsliga riktningar; dock, bygghastigheten här är bara cirka 10 μm³ per sekund.

Spara tid med två system i en maskin

Projektpartnerna kombinerar nu den DLP-baserade processen med MPP-processen och utvecklar en maskin med två valbara exponeringssystem för antingen hög bygghastighet eller hög precision. De använder högpresterande lysdioder som sänder ut vid 365 nm våglängd och ett DLP-chip med HD-upplösning för litografi. MPP-modulen använder en femtosekundlaser med en snabb skanner och mikroskopoptik.

"Fördelen ligger i samspelet mellan de två procedurerna:Beroende på behovet, vi avser att växla mellan exponeringssystemen i processen, " förklarar Dr Martin Wehner, HoPro-3-D projektledare på Fraunhofer ILT. "Utmaningen vi står inför är processkontroll. Konceptet har utvecklats, för närvarande byggs en lämplig maskin."

Dessutom, kontrollmjukvara utvecklas, som självständigt ska avgöra – utifrån CAD-data – när en förändring mellan de två källorna är meningsfull. Summan av kardemumman är att denna övergång fungerar smidigt och strukturerna kan byggas i ett hartskar utan att behöva byta fotoharts. Projektgruppen undersöker olika material och optimerar processkombinationen i detalj.

Tillämpningar inte bara inom biomedicin

Många komponenter har en kropp som kan monteras snabbt, men också vissa strukturer som kräver hög precision. Kombinationen av processer tillåter, till exempel, optiska funktionselement som linser eller prismor att integreras direkt i en större komponent med stor precision. Tack vare detta tillvägagångssätt, komplett kollimerande optik för att läsa optisk information inom analysteknik kan tänkas byggas.

Användningsområdena är många, men denna maskin borde visa sig vara mest intressant för produktion av komponenter som används inom biomedicinsk analysteknik. Stödställningar för 3D-vävnadsmodeller, mikromekaniska komponenter eller kompletta mikrofluidsystem är typiska applikationsexempel för detta.