Chipbasiert statt klobig: Der 3D-Drucker der Zukunft könnte bequem in unsere Hand passen und selbst unterwegs das Drucken kleiner, dreidimensionaler Objekte und Ersatzteile ermöglichen. Den Prototyp eines solchen Mini-3D-Druckers haben nun Forschende vorgestellt. Er besteht aus einem nur millimeterkleinen Photonik-Chip, der bewegliche Lichtstrahlen in ein kleines Becken mit lichthärtendem Harz schickt. Dies erzeugt die gewünschten 3D-Objekte.
Bisher sind 3D-Drucker meist relativ klobige Geräte. Die gängigsten erzeugen die dreidimensionalen Objekte, indem sie zähflüssiges Rohmaterial schichtweise in der gewünschten Form auftragen und härten lassen. Die Präzision und Auflösung dieser extruderbasierten Methode ist allerdings eher gering. Vor allem in der Industrie kommen deshalb oft laserbasierte 3D-Druckmethoden wie die Stereolithografie zum Einsatz. Dabei strahlt der Laser in flüssiges Harz und lässt dieses durch Photopolymerisation in der gewünschten Form aushärten.
Der Vorteil: Diese Laserbestrahlung kann selbst sehr feine Strukturen und Objekte im Mikromaßstab erzeugen. Dafür benötigen diese 3D-Drucker aber klobige und komplexe Aufbauten. „Es besteht daher ein wachsender Bedarf an neuen, kompakteren, tragbaren und günstigen 3D-Druck-Technologien“, erklären Sabrina Corsetti vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und ihre Kollegen.
Silizium-Photonik mit Photochemie kombiniert
Eine solche Technologie könnten Corsetti und ihr Team jetzt entwickelt haben. Ihr „geschrumpfter“ 3D-Drucker besteht aus einem nur wenige Millimeter kleinen Silizium-Chip, der feine, bewegliche Lichtstrahlen aussendet und so das flüssige Harz in einem kleinen Behälter an den gewünschten Stellen härtet. „Wir kombinieren hier die Felder der Silizium-Photonik mit Photochemie, um den ersten chipbasierten 3D-Drucker zu entwickeln“, erklären die Forschenden.
Insgesamt könnte das gesamte System so klein werden, dass man es bequem in einer Hand halten kann. „Dieses System erfindet den 3D-Drucker praktisch neu. Denn er ist nun nicht länger ein großer Kasten auf einem Labortisch, sondern etwas, das mobil und in der Hand zu halten ist“, erklärt Seniorautorin Jelena Notaros vom MIT. Das ermögliche ganz neue Anwendungen. Weil der neue Mini-3D-Drucker zudem keine mechanisch beweglichen Teile besitzt, ist er relativ robust und wenig störanfällig.
Nanoantennen und Dreikomponentenharz
Der Prototyp des Mini-3D-Druckers besteht aus einem einzigen photonischen Mikrochip aus Silizium, der nur wenige Millimeter groß ist. Auf ihm leitet ein 160 Nanometer breiter Wellenleiter aus Siliziumnitrid das eingespeiste Laserlicht in 16 weitere, parallel angeordnete, mit kleinen seitlichen Gruben versehene Kanälchen, die Flüssigkristallmaterial enthalten. Durch angelegte Elektroden kann dessen Lichtbrechung gezielt verändert und kontrolliert werden. Dadurch wirken diese Kanälchen wie kleine Antennen, die winzige Lichtstrahlen aus der Oberfläche des Mikrochips strahlen.
Die zweite Komponente des 3D-Druckers ist ein Behälter mit flüssigem, photochemisch aushärtbarem Harz. „Anders als die typischerweise in der Stereolithografie genutzten Harze, die bei UV-Wellenlängen aushärten, reagiert dieses Harz auf sichtbares Licht“, berichten Corsetti und ihre Kollegen. Dafür kombinierten sie die photoreaktive Verbindung Aza-Boro-Dipyrromethen (aza-Br) mit zwei sogenannten Initiatoren, die den Aushärtungsprozess in Gang bringen – bei gängigen Photoharzen wird nur ein solcher Initiator eingesetzt.
Erster Prototyp noch ausbaufähig
Zur Demonstration dieser Technologie nutzten die Forschenden dieses System, um das Logo des MIT aus dem Harz zu erzeugen. Das photoreaktive Harz befand sich dabei in einer kleinen napfartigen Vertiefung eines Glasscheibchens, mit dem der Chip abgedeckt war. Für die nächste Version wollen Corsetti und ihr Team einen größeren Behälter integrieren, mit dem auch komplexere Strukturen druckbar werden.
Beim jetzt getesteten Prototyp wurde Drucker-Chip noch von einem externen, normalgroßen Laser gespeist. In Zukunft könnte dafür aber ein ebenfalls chipbasiertes Lasersystem verwendet werden, so dass auch die Laserquelle im neuen Mini-3D-Drucker integriert wäre, wie das Team erklärt.
„Erster Schritt zur nächsten Generation der 3D-Drucker“
„Unsere Arbeit demonstriert einen ersten Schritt hin zu einer hochgradig kompakten, tragbaren und günstigen Lösung für die nächste Generation der 3D-Drucker“, konstatieren Corsetti und ihre Kollegen. „Eine solche Lösung würde die Produktion von 3D-Objekten zugänglicher und schneller machen und könnte sich für eine breite Palette von Anwendungen eignen – von Medizin, Militär und Technik bis zum Verbraucher.“
Mithilfe solcher Mini-3D-Drucker könnte man beispielsweise mal eben eine gebrochene Öse am Rucksack, einen Haken oder Knopf ersetzen. Auch kleine Komponenten an technischen Geräten ließen sich damit schnell reparieren. Bis der 3D-Drucker im Miniformat allerdings marktreif ist, werden Corsetti und ihr Team noch ein wenig tüfteln müssen. (Light Science & Applications, 2024; doi: 10.1038/s41377-024-01478-2)
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
