Zwei-Photonen-Polymerisation:
Additive Fertigung im Mikrometerbereich

Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) kann als Äquivalent für den 3D-Druck im Mikrometer­bereich angesehen werden. Im Gegensatz zur UV-Lithographie und zum 3D-Druck mittels Stereolithographie wird bei der 2PP das Harz nicht mit UV-Licht, sondern mit Femto­sekunden-Laserpulsen im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich belichtet.

Unter normalen Umständen würden diese Wellenlängen von dem transparenten Harz überhaupt nicht absorbiert werden. Die starke Fokussierung und die gepulste Natur der Bestrahlung (Energieabgabe in wenigen 100 Femtosekunden) führt jedoch zu einer Zwei-Photonen-Absorption innerhalb des Fokusvolumens, die die gleichen chemischen Übergänge wie bei der UV-Licht-Beleuchtung auslöst. Die Aushärtung, d. h. die Verfestigung des Polymers ist somit auf das winzige Fokusvolumen beschränkt. Es kann als dreidimensionaler Stift für echte 3D-Mikrofabrikation angesehen werden.

Bei der 2PP-Bearbeitung wird das Fokusvolumen in allen drei Raumrichtungen gerastert, um die gewünschte Struktur direkt aus CAD-Daten zu erzeugen. Nach der Belichtung wird ein Entwicklungsschritt mit geeigneten Lösungsmitteln durchgeführt, um das nicht belichtete (noch flüssige) Harz zu entfernen.

2PP Schema CeSMA
© Fraunhofer ISC
Unterschied zwischen konventioneller Ein-Photonen-Polymerisation (1PP) und 2PP: Bei 1PP wird der gesamte Lichtweg im Material ausgehärtet, während bei 2PP die Verfestigung auf das Fokusvolumen beschränkt ist.
2PP Knotenstruktur CeSMA
© Fraunhofer ISC
Mit 2PP hergestellte Knotenstruktur. Typisches Beispiel für ein Design, das mit keiner anderen Technologie zu realisieren ist.
2PP Gyroid CeSMA
© Fraunhofer ISC
"Gyroid"-Struktur, die 2PP in einem Kompositmaterial aus Hybridpolymer und Nanopartikeln demonstriert.
2PP Unbegrenzte Höhe CeSMA
© Fraunhofer ISC
"Unbegrenzte" Höhe der mit 2PP erzeugten 3D-Strukturen. Ausgeklügelte Belichtungsstrategien ermöglichen die Herstellung von Strukturen, deren Dimensionen nur durch den physikalischen Verfahrweg des Positioniersystems, nicht aber durch die verwendete Optik begrenzt sind. Im Beispiel hat die Freiheitsstatue eine Höhe von 750 µm.
2PP Unterschiedliche Mikrooptiken CeSMA
© Fraunhofer ISC
Demonstration von verschiedenen mikrooptischen Elementen auf demselben Substrat.
2PP Mikrooptiken CeSMA
© Fraunhofer ISC
Mikrogefäße, hergestellt durch 2PP in biokompatiblem ORMOCER®.

Vorteile von 2PP

  • Echte 3D-Mikrofabrikation
  • Keine Design-Einschränkungen
  • Nahezu jede Art von Substrat möglich
    (auch mit bestehender Topologie)
  • Skalierbar von kleinen Voxelgrößen (bis zu 100 nm) bis zu Objekten im Zentimeterbereich
  • Verschiedene Fabrikationsstrategien zur Erhöhung des Durchsatzes

Unsere Kompetenzen

  • Einzigartige Kombination von Prozesstechnologie und Entwicklung von maßgeschneiderten Hybridpolymeren (ORMOCER®)
  • CAD/CAM-Kette: Vom Design zum Prototyp
  • Zwei Geräte mit unterschiedlichen Wellenlängen verfügbar (515 / 1030 nm; 680 - 1080 nm)
  • Substrate bis zu 30 x 30 cm²
  • Hardware für Hochdurchsatz-Fertigung (hochpräzise Luftlager-Linearachsen + Galvoscanner-Technologie)
  • Automatisierte Abläufe (Parameteroptimierung, Fertigung von Großserienbauteilen)