Mit einem neuen Mikro-3D-Druckverfahren werden winzige und komplexe Metallbauteile einfach hergestellt. Die Technik haben ETH-Forscher ursprünglich für die biologische Forschung konzipiert und nun für eine andere Anwendung weiterentwickelt.
Bei den meisten bestehenden Mikro-3D-Druckverfahren sind überhängende Strukturen nur mit einem Trick herstellbar: Eine zuvor angefertigte Schablone dient während des Druckprozesses als Platzhalter unter einem zu druckenden Überhang und muss nach dem Drucken entfernt werden. Bei der neuen, am Labor für Biosensoren und Bioelektronik der ETH Zürich entwickelten Technik kann der Druckkopf aber auch freihängend seitwärts drucken und so Überhänge ohne Schablonen entstehen lassen.
Die neue Technik ist eine Weiterentwicklung des vor mehreren Jahren an der ETH Zürich entwickelten Fluid-FM-Systems. Zentraler Bestandteil dieses Systems ist eine bewegliche, an eine Blattfeder gekoppelte Mikropipette, die sehr präzise steuerbar ist. Fluid-FM wird heute vor allem in der biologischen Forschung und der Medizin verwendet, um Zellen zu sortieren und zu analysieren, sowie um Stoffe in einzelne Zellen zu injizieren. Das System wird seit drei Jahren vom ETH-Spin-off Cytosurge vertrieben.
Fluid-FM lässt sich jedoch auch für Druckverfahren verwenden, indem zum Beispiel in Lösung befindliche Metalle und andere Stoffe auf einer leitenden Grundplatte elektrochemisch abgeschieden werden. Im neu entwickelten Verfahren gibt es eine Grundplatte aus Gold, auf der sich ein Flüssigkeitstropfen befindet. In diesen hinein ragt die Spitze der Mikropipette und dient als Druckkopf. In der Pipette fließt langsam und konstant eine Kupfersulfatlösung.
Wird mit einer Elektrode eine Spannungsdifferenz zwischen Flüssigkeitstropfen und Grundplatte angelegt, kommt es unter der Pipettenspitze zu einer elektrochemischen Reaktion: Das aus der Pipette austretende Kupfersulfat reagiert zu festem Kupfer, das sich als „3D-Pixel“ auf der Grundplatte abscheidet.
Die Mikropipette lässt sich computergesteuert bewegen, so dass dreidimensionale Objekte Pixel um Pixel gedruckt werden können. Die räumliche Auflösung hängt dabei von der Größe der Pipettenöffnung ab. Derzeit weisen einzelne 3D-Pixel Durchmesser zwischen 800 nm bis 5000 nm auf.
Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie sind einige mechanisch stabile Mikroobjekte aus nicht-porösem, reinem Kupfer entstanden. Zu den eindrucksvollsten dürften drei ineinander verschachtelte Mikrospiralen gehören, die in einem Arbeitsschritt und ohne Schablone hergestellt wurden.
Außer Kupfer lassen sich mit dem Verfahren andere Metalle und voraussichtlich auch Polymere und Verbundmaterialien drucken. Ein Vorteil der neuen Methode ist, dass über die Auslenkung der Blattfeder, an welche die Mikropipette gekoppelt ist, die Kräfte gemessen werden können, die auf die Pipettenspitze wirken. Dieses Signal lässt sich als Feedback nutzen, so dass das System erkennt, welche Bereiche des Objekts bereits gedruckt sind – was hilft, den Druckprozess in dieser Größenordnung zu automatisieren.
Weitere Informationen Über das Labor für Biosensoren und Bioelektronik der ETH Zürich: www.lbb.ethz.ch Über das ETH-Spin-off Cytosurge: www.cytosurge.com
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