Direkter Laser-3D-Nanodruck von Metallen und deren Legierungen

Innovative Fertigungstechnologien wie der direkte Laser-3D-Nanodruck eröffnen völlig neue Möglichkeiten – insbesondere in Bereichen wie Nanoelektronik, Metamaterialien und medizinischer Mikrotechnik. Bei cross-ING verfolgen wir solche technologischen Fortschritte mit grossem Interesse, um unseren Kunden die besten Lösungen für anspruchsvolle Engineering-Projekte zu bieten. Ein spannendes Beispiel dazu liefert dieser Beitrag.

Was ist direkter Laser-3D-Nanodruck?

Der direkte Laser-3D-Nanodruck hat sich zu einem bahnbrechenden Ansatz auf dem Gebiet der hochauflösenden additiven Fertigung entwickelt, der das Potenzial bietet, komplexe dreidimensionale (3D) metallische Geometrien mit nanoskaliger Präzision herzustellen.

Alain Reiser hebt die bemerkenswerten Fortschritte auf diesem Gebiet hervor [1] und konzentriert sich dabei auf eine Methode, die von Wang und Kollegen vorgestellt wurde. Ihr Ansatz adressiert langjährige Herausforderungen in der nanoskaligen additiven Fertigung von Metallen (AM), indem sie das direkte Laserschreiben von Metallen und Legierungen ermöglichen, ohne dass eine thermische Nachbearbeitung erforderlich ist.

Metallischer 3D-Nanodruck ohne Nachbearbeitung

Traditionelle Methoden, wie z. B. das direkte Laserschreiben mit Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP-DLW), haben bei der Herstellung polymerbasierter 3D-Geometrien eine wichtige Rolle gespielt. Die Ausweitung dieser Fähigkeiten auf Metalle wurde jedoch durch Einschränkungen wie die Notwendigkeit einer Hochtemperaturverarbeitung und die daraus resultierende Materialschrumpfung behindert. Diese Herausforderungen sind besonders akut für thermisch empfindliche Substrate, so dass bisherige Techniken mit bestimmten Anwendungen nicht kompatibel sind. Wangs Methode umgeht diese Einschränkungen mit einem polymerfreien Ansatz, der die Zwei-Photonen-induzierte Zerlegung (TPD) nutzt. Bei dieser innovativen Technik erfolgen die laserinduzierte Synthese und die Konsolidierung von Nanopartikeln gleichzeitig, was die Herstellung dichter metallischer Strukturen bei Raumtemperatur ermöglicht.

Das Verfahren beinhaltet die Zwei-Photonen-Absorption in einer Vorläuferlösung, die Carbonylmetallverbindungen enthält. Dies führt zur Zersetzung in Metallcluster, die dann durch lokales Lasererhitzen gesintert werden, um Strukturen mit hoher Dichte zu bilden. Die Technik bietet mehrere Vorteile, darunter eine Auflösung im Nanobereich (bis zu 100 nm), die Möglichkeit, komplizierte Geometrien zu erzeugen, und die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Metallen und Legierungen. Darüber hinaus kann die Legierung durch das Mischen verschiedener Vorläufer erreicht werden, wie bei Molybdän-Kobalt-Wolfram-Strukturen gezeigt wird.

Abbildung 1. 3D-Laserschrift fertigt komplexe Geometrien mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Auflösung [2].

Trotz dieser Fortschritte gibt es nach wie vor Herausforderungen. Der Durchsatz bleibt eine erhebliche Einschränkung, da die aktuellen Schreibgeschwindigkeiten eine Abscheidung im Mikrometerbereich pro Sekunde erreichen, was hinter den Hochgeschwindigkeitsfähigkeiten etablierter 2PP-DLW-Methoden zurückbleibt. Darüber hinaus weisen die hergestellten Strukturen zwar eine beeindruckende Druckfestigkeit auf, die mit einkristallinen Nanosäulen vergleichbar ist, ihr Elastizitätsmodul jedoch immer noch unter den Werten des Bulk-Materials, was auf einen weiteren Optimierungsbedarf bei den Materialeigenschaften hinweist.

Die Auswirkungen dieser Technologie sind enorm. Durch die Einführung von 3D-Nanofertigungsmöglichkeiten für anorganische Materialien ebnet dieser Ansatz den Weg für Fortschritte in den Bereichen Nanoelektronik, Nanorobotik, Metamaterialien und medizinische Geräte im Mikromassstab. Mit weiteren Verbesserungen der Druckgeschwindigkeit und der Materialleistung ist das Potenzial für die Transformation von Anwendungen in diesen Bereichen immens. Die von Wang und Kollegen vorgestellte Innovation markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung der 3D-Nanofertigung und bereitet die Voraussetzungen für eine neue Ära von Hochleistungsgeräten und -materialien im Nanobereich.

Wie kann cross-ING Sie unterstützen?

Neue Technologien wie der direkte Laser-3D-Nanodruck zeigen, wie schnell sich die Fertigungstechnik weiterentwickelt. Bei cross-ING nutzen wir dieses Wissen, um innovative Lösungen für komplexe technische Herausforderungen zu entwickeln – insbesondere in den Bereichen Additive Manufacturing Design, Materialwissenschaften und Ingenieursvermittlung.

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[1] Reiser, A. (2024). Direktes Laser-3D-Nanoschreiben von Metallen und deren Legierungen. Naturmaterialien, 1-2.

[2] Wang, Y., Yi, C., Tian, W., Liu, F., & Cheng, G. J. (2024). Direkter nanoskaliger 3D-Druck von Metallen und Legierungen im freien Raum, der durch Zwei-Photonen-Zerlegung und ultraschnelles optisches Trapping ermöglicht wird. Naturmaterialien, 1-9.