Wie baut man ein Modell des Stephansdoms in der Größe eines Staubkorns? Mit den modernen 3D-Druck-Techniken der TU Wien ist das heute kein großes Problem mehr. Unvorstellbar feine Strukturen in der Größenordnung von weit weniger als einem Mikrometer lassen sich im 3D-Drucker herstellen. Doch dafür benötigt man sogenannte „Initiator-Moleküle“ mit ganz besonderen physikalischen Eigenschaften. Mit einer neuen Analysemethode, entwickelt am Institut für Angewandte Physik der TU Wien, kann man diese Moleküle nun viel besser und schneller untersuchen als bisher und dadurch erklären, mit welchen Materialien die Technik am besten funktioniert. Publiziert wurde diese Technik nun im Fachjournal „Applied Physics Letters“.

Der Laserstrahl härtet das Harz
Es beginnt mit einer Flüssigkeit: Das Ausgangsmaterial für den 3D-Druck ist ein Harz, das mit Hilfe eines Laserstrahls an ganz bestimmten Punkten ausgehärtet wird. Dafür muss allerdings eine chemische Kettenreaktion in Gang kommen. Spezielle Initiator-Moleküle absorbieren Photonen des Laserlichts, werden dadurch aktiviert und führen schließlich zum Aushärten des Harzes.

„Um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen ist es wichtig, dass sich die Initator-Moleküle nicht durch ein einziges Photon aktivieren lassen, sondern dass sie erst dann aktiviert werden, wenn sie zwei Photonen gleichzeitig absorbieren“, erklärt Prof. Wolfgang Husinsky vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Dieser Zwei-Photonen-Prozess kann nämlich nur dort mit relevanter Wahrscheinlichkeit auftreten, wo das Laserlicht am stärksten ist – also genau in der Mitte des Laserstrahls.“

Gesucht werden daher Initiator-Moleküle, die von einem einzelnen Photon möglichst unbeeinflusst bleiben, die aber mit großer Wahrscheinlichkeit zwei Photonen gleichzeitig absorbieren können. Nachdem diese Moleküle nur in der Mitte des Laserstrahls aktiviert werden, hat man dann eine exzellente Kontrolle darüber, an welchen Punkten das Harz ausgehärtet werden soll, und man kann ein 3D-Objekt mit äußerst feinen Details herstellen.

Auf die Wellenlänge kommt es an
Was allerdings bisher oft unberücksichtigt blieb: Manche Materialien könnten sich gut als Initiator-Moleküle eignen, allerdings nur dann, wenn man einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge verwendet, die genau auf das Material abgestimmt ist. Das war bisher sehr mühsam zu untersuchen. „Man hätte dasselbe Experiment immer und immer wieder mit unterschiedlichen Laser-Wellenlängen durchführen müssen, jedes Mal hätte man den Versuchsaufbau völlig neu justieren müssen, das ist in der Praxis kaum durchführbar“, sagt Aliasghar Ajami, Erstautor der Publikation.

Aliasghar Ajami entwarf daher eine ganz neue Methode: Er verwendete ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden. „Bei derart kurzen Pulsen ist die Wellenlänge nicht mehr streng definiert, die Laserstrahlung hat also keine eindeutige Farbe mehr, sie setzt sich aus vielen verschiedenen Wellenlängen zusammen“, erklärt Ajami. Mit Prismen lässt sich das Licht dieser Laserpulse dann zerlegen. Der Strahl wird in ein zweidimensionales Licht-Blatt aufgespalten, das oben andere Wellenlängen aufweist als unten. „Wenn man die Probe auf geeignete Weise durch dieses Laserlicht hindurchbewegt, dann kann man in einer einzigen Messung analysieren, wie die Moleküle auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren“, erklärt Wolfgang Husinsky. „Wir erzeugen ein vollständiges Zwei-Photonen-Absorptionsspektrum in einem einzigen Arbeitsschritt.“

Interdisziplinäre Arbeit
An den Forschungsarbeiten zum Thema 3D-Druck sind drei verschiedene Fakultäten der TU Wien beteiligt: Am Institut für Angewandte Synthesechemie (Forschungsgruppe Prof. Robert Liska) werden die Initator-Moleküle hergestellt, am Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie (Arbeitsgruppen Prof. Jürgen Stampfl und Aleksandr Ovsianikov, Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften) werden die 3D-Drucker gebaut, und die Charakterisierungs-Methode wurde nun an der Fakultät für Physik entwickelt.

Ermöglicht wurde das Projekt ursprünglich vom TU Wien-eigenen Forschungsförderungsprogramm „Innovative Projekte“, mit dem wissenschaftlich besonders ambitionierte Projekte ermöglicht werden sollen und letztendlich von einem FWF Projekt, an dem die drei Institute beteiligt waren.

<link http: aip.scitation.org doi>Originalpublikation

Rückfragehinweis:
Prof. Wolfgang Husinsky
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße  8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13441
<link>husinsky@iap.tuwien.ac.at