Hochauflösender 3D-Druck: Mehr Laser-Power ermöglicht rasche Produktion hochpräziser Kunststoffbauteile

Hochauflösender 3D-Druck: Mehr Laser-Power ermöglicht rasche Produktion hochpräziser Kunststoffbauteile

Der Einsatz starker Laser erlaubt einem österreichischen Spezialisten für 2PP 3D-Druck die hochpräzise und rasche Produktion sowohl im Nano- als auch im Mikro- und Mesobereich.

Starke Laserpower, optimierte optische Aufbauten, die patentierte adaptive Auflösung und smarte Algorithmen für den Scanner machen im hochpräzisen 3D-Druck möglich, woran andere scheitern: die Produktion über 12 Größenordnungen mit Auflösungen im Nano- und Mikrometerbereich – und das in bisher unerreichter Geschwindigkeit. Tatsächlich hat die UpNano GmbH aus Wien, ein Spin-Out der dortigen Technischen Universität, das Highend 3D-Drucksystem NanoOne entwickelt, das Kunststoffbauteile mit einem Volumen von 100bis 1012Kubikmikrometer herstellen kann, gerne auch mit feinsten Strukturdetails. Eindrucksvoll demonstrierte das Unternehmen dies vor kurzem mit vier im 2PP-Verfahren hergestellten Eiffelturmmodellen im Größenbereich  von 200 Mikrometer bis 4 Zentimeter Höhe, mit exakter Wiedergabe aller feinsten Details, die nicht mehr als 30 bis 540 Minuten für die Produktion benötigten. Diese Leistungsfähigkeit erlaubt nun den Einsatz des 2PP 3D-Drucks für bisher unmögliche F&E und Industrieanwendungen.

3D-Druck mittels 2-Photonen Polymerisation (2PP) ist ein ultrapräzises Herstellungsverfahren, das bisher nur für einen eng begrenzten Größenbereich optimiert werden konnte. Außerdem nahm die Produktion von Bauteilen im Zentimeter-Bereich extrem lange Zeit in Anspruch und erschien damit für den industriellen Serieneinsatz ungeeignet. Die österreichische UpNano GmbH zeigt nun mit ihrem NanoOne-Drucksystem, dass es auch anders geht: Hochpräzise gefertigte Kunststoffbauteile mit einer Auflösung im Mikro- und Nanometerbereich werden damit wahlweise in Zenti-, Milli- oder Mikrometergröße hergestellt – und das in Minuten.

Photonen mit Power

„Für unser Drucksystem haben wir eine innovative adaptive Auflösungstechnologie entwickelt und patentiert“, erklärt Peter Gruber, Leiter Technologie und Mitbegründer der UpNano. „Zusammen mit ebenfalls in-house codierten Algorithmen und vor allem mit einem eigens entwickelten optischen Aufbau können wir Laser mit einer Stärke im Watt-Bereich einsetzen. Das ist zigmal stärker als bei vergleichbaren Systemen.“ Die stärkere Laser-Power liefert auch bei Anpassung der Auflösung genügend Energie, um die notwendige Polymerisation des Druckmaterials zu erzielen – ein klarer Vorteil gegenüber anderen Systemen.

Das NanoOne-System schafft die Produktion von Bauteilen, deren Volumen bis zu 12 Zehnerpotenzen umfassen können

„Ein Vorteil“, betont Bernhard Küenburg, Geschäftsführer der UpNano, „der insbesondere im Mesobereich voll zur Geltung kommt und unserem System dort wesentlich raschere Produktionen ermöglicht. Nimmt man unsere patentierte adaptive Auflösungstechnologie noch dazu, dann gelingt die Produktion von mehreren Zentimeter großen Bauteilen, die Strukturen von wenigen Mikrometern aufweisen, in sehr raschen Zyklen. Denn dieser Algorithmus erlaubt eine Aufweitung der Laser-Spotgröße bis zu Faktor 10, angepasst an die jeweilige Konfiguration des Bauteils.“ Ein einfacher Objektivwechsel (es stehen verschiedene Objektive mit einer Vergrößerung zwischen 4x und 100x zur Verfügung) ermöglicht mit demselben System auch die Herstellung von Stücken im Mikrobereich, die eine Auflösung im Nanometerbereich haben. Auch dieses gelingt dank des speziellen optischen Aufbaus, der optimierten Scan-Algorithmen sowie der adaptiven Auflösung mit bisher unerreichter Geschwindigkeit. Das NanoOne-System schafft so die Produktion von Bauteilen, deren Volumen bis zu 12 Zehnerpotenzen umfassen können: Kantenlängen im Mikrometerbereich sind genauso möglich wie im Zentimeterbereich und das bei höchster Auflösung. Und das alles in kürzester Zeit.

Von F&E zu Industrie

Dank dieser hohen Flexibilität und Versatilität erhält das System bereits kurz nach seiner Einführung in F&E und der Industrie zunehmend Anerkennung. Ein Anwendungsbeispiel ist die Herstellung von Mikronadeln mit exakt dimensionierten und definierten Formen der Spitze, der Flüssigkeitskanäle und der Reservoire für den Einsatz in Medizin & Forschung. Ein anderes, spannendes Anwendungsgebiet für die UpNano-Technologie sind funktionelle mikromechanische Teile. Ein Paradebeispiel ist eine funktionstüchtige Feder mit einer Höhe von 6 Millimetern, die in weniger als 6 Minuten gedruckt wurde. Auch 2-Komponententeile wurden bereits hergestellt, die bewegliche Teile umfassten und für medizintechnische Anwendungen in einem einzigen Druckvorgang hergestellt werden konnten.

Neue Herangehensweise an Filtrier- und Separationsvorgänge

Ein drittes Beispiel, bei dem der Größenordnungsumfang des Systems voll zur Geltung kommt, ist die Produktion von Filtern. Flächen von mehreren Quadratzentimetern mit Porengrößen im kleinen einstelligen Mikrometerbereich können dabei in Stunden gedruckt werden. „Diese Filter zeichnen sich durch exakt definierte Porengrößen für 100% aller Poren aus“, erklärt Bernhard Küenburg. Variationen in der Porengröße gehören damit genauso der Vergangenheit an wie unsaubere Filtervorgänge. So ermöglicht der NanoOne von UpNano eine völlig neue Herangehensweise an Filtrier- und Separationsvorgänge und steht exemplarisch für die Innovationskraft des Unternehmens.

Über UpNano:

Im September 2018 als Spin-Out der TU Wien gegründet, ist die UpNano ein in Wien ansässiges Hightech-Unternehmen mit Fokus auf Entwicklung, Herstellung und Kommerzialisierung von hochauflösenden 3D Druck-Systemen, die auf 2 Photonen-Polymerisation basieren. Mit ihrem ersten kommerziellen Produkt, dem NanoOne-Drucksystem, können Mikrobauteile mit Strukturdetails ≥170 nm Auflösung gedruckt werden. Aufgrund des sehr schnellen Druckprozesses ist auch die Herstellung von Teilen bis zur Größe von mehreren Zentimetern realisierbar.

Quelle und Fotos: http://www.upnano.at