Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kupferabscheidung für winzige 3D-Objekte

20.01.2016

Mit einem neuen Mikro-3D-Druckverfahren können Wissenschaftler winzige und komplexe Metallbauteile einfach herstellen. Die verwendete Technik haben ETH-Forscher vor Jahren für die biologische Forschung konzipiert und nun für einen ganz anderen Anwendungsbereich weiterentwickelt.

Wissenschaftler an der ETH Zürich entwickelten ein neues Verfahren für den Mikro-3D-Druck. Damit ist es auch möglich, auf einfache Weise und in einem Arbeitsgang winzige, teils auch überhängende Strukturen herzustellen. Dereinst könnten damit zum Beispiel komplexe Uhrenbestandteile oder Mikrowerkzeuge für die Schlüssellochchirurgie hergestellt werden.


Die hier in Mikroskopiebildern gezeigten Objekte sind 15 bis 35 Mikrometer breit. Zum Vergleich: Die Breite eines menschlichen Haars beträgt etwa 50 Mikrometer.

ETH Zürich / Luca Hirt


Die hier in Mikroskopiebildern gezeigten Objekte sind 15 bis 35 Mikrometer breit. Zum Vergleich: Die Breite eines menschlichen Haars beträgt etwa 50 Mikrometer.

ETH Zürich / Luca Hirt

Bei den meisten bestehenden Mikro-3D-Druckverfahren sind überhängende Strukturen nur mit einem Trick möglich: Eine zuvor angefertigte Schablone dient während des Druckprozesses als Platzhalter unter einem zu druckenden Überhang.

Die Schablone muss nach dem Drucken entfernt werden. Bei der neuen, von ETH-Doktorand Luca Hirt vom Labor für Biosensoren und Bioelektronik entwickelten Technik kann der Druckkopf auch freihängend seitwärts drucken. Überhänge können damit ohne Schablonen gedruckt werden.

Winzige Pipette

Die neue Technik ist eine Weiterentwicklung des vor mehreren Jahren an der ETH Zürich entwickelten FluidFM-Systems (siehe ETH-Life-Artikel [http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090626_nanoinjection_sch/index/] vom 26.06.2009). Zentraler Bestandteil dieses Systems ist eine bewegliche, an eine Blattfeder gekoppelte Mikropipette, die äusserst präzise steuerbar ist.

FluidFM wird heute vor allem in der biologischen Forschung und der Medizin verwendet, um beispielsweise Zellen zu sortieren und zu analysieren, sowie um Stoffe in einzelne Zellen zu injizieren. Das System und wird seit drei Jahren vom ETH-Spin-off Cytosurge kommerziell vertrieben.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit an der ETH Zürich untersucht Luca Hirt die Möglichkeit, FluidFM auch für Druckverfahren zu verwenden. Insbesondere interessiert er sich dafür, damit in Lösung befindliche Metalle und andere Stoffe auf einer leitenden Grundplatte elektrochemisch abzuscheiden.

Elektrochemische Reaktion an der Spitze

Im nun entwickelten System funktioniert das so: Auf einer Grundplatte aus Gold befindet sich ein Flüssigkeitstropfen. In diesen hinein ragt die Spitze der Mikropipette und dient als Druckkopf. In der Pipette fliesst langsam und konstant eine Kupfersulfatlösung.

Weil die Wissenschaftler mit einer Elektrode eine Spannungsdifferenz zwischen Flüssigkeitstropfen und Grundplatte anlegen, kommt es unter der Pipettenspitze zu einer elektrochemischen Reaktion: Das aus der Pipette austretende Kupfersulfat reagiert zu festem Kupfer, das sich als winziges 3D-Pixel auf der Grundplatte abscheidet.

Indem die Forschenden die Mikropipette computergesteuert bewegen, können sie Pixel um Pixel und Schicht um Schicht dreidimensionale Objekte drucken. Die räumliche Auflösung hängt dabei von der Grösse der Pipettenöffnung ab, welche die Grösse der Kupferablagerungen bestimmt.

Derzeit können die Wissenschaftler einzelne 3D-Pixel von 800 Nanometer bis gut fünf Mikrometer Durchmesser erzeugen und sie zu grösseren dreidimensionalen Objekten kombinieren. Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie sind etliche spektakuläre Mikroobjekte entstanden.

Sie bestehen aus nicht-porösem, reinem Kupfer und sind mechanisch stabil, wie Untersuchungen von Wissenschaftlern der Gruppe von Ralph Spolenak, Professor für Nanometallurgie an der ETH Zürich, zeigten. Zu den eindrucksvollsten Objekten dürften drei ineinander verschachtelte Mikrosprialen gehören, welche die ETH-Forschenden in einem Arbeitsschritt und ohne Schablone herstellten.

«Nicht nur Kupfer, sondern auch andere Metalle lassen sich damit drucken», sagt Tomaso Zambelli, Privatdozent und Gruppenleiter am Labor für Biosensoren und Bioelektronik der ETH Zürich. Und selbst für den 3D-Druck von Polymeren und Verbundmaterialien könnte sich FluidFM eignen, sagt er.

Ein Vorteil der neuen Methode gegenüber anderen Mikro-3D-Druckverfahren 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 können wir als Feedback nutzen. Im Gegensatz zu anderen 3D Druck-Systemen erkennt unseres, welche Bereiche des Objekts bereits gedruckt sind», sagt ETH-Doktorand Hirt. Dies helfe, den Druckprozess zu automatisieren.

Erfolgreiche Zusammenarbeit mit Spin-off

Die Wissenschaftler haben die Methode zum Patent angemeldet. Das ETH-Spin-off Cytosurge hat die Methode von der ETH Zürich lizenziert. Pascal Behr war vor mehreren Jahren an der ETH massgeblich an der Entwicklung von FluidFM beteiligt. Heute ist er CEO von Cytosurge.

«Wir sehen in dem Druckverfahren ein grosses Marktpotenzial und eine Chance für unsere Firma, uns weiter zu diversifizieren», sagt er. «Von der Idee, FluidFM im Mikro-3D-Druck einzusetzen, sind wir überzeugt. Nun geht es darum, diese Anwendung zu optimieren, gemeinsam mit interessierten Forschern an Hochschulen und in der Industrie – etwa in der Uhren-, Medizinaltechnik- und Automobilbranche.»

Eine erste Anwendung sieht Behr im Bereich Rapid Prototyping, der schnellen und einfachen Herstellung von Mikrobauteil-Prototypen mittels 3D-Druck.

Die langjährige Zusammenarbeit von ETH Zürich und dem Spin-off Cytosurge wird ebenfalls weitergehen. «Es ist ein gegenseitiges Geben und Nehmen, von dem beide Seiten profitieren», sagt Zambelli. Cytosurge stellte der ETH jeweils die neusten Geräte zur Verfügung. Die ETH-Wissenschaftler können diese für ihre Forschung verwenden. Sie helfen dabei, die Geräte zu testen und können Anregungen für Verbesserungen und Weiterentwicklungen einbringen.

Literaturhinweis

Hirt L, Ihle S, Pan Z, Dorwling-Carter L, Reiser A, Wheeler JM, Spolenak R, Vörös J, Zambelli T: Template-Free 3D Microprinting of Metal Using a Force-Controlled Nanopipette for Layer-by-Layer Electrodepostion. Advanced Materials 2016, doi: 10.1002/adma.201504967 [http://dx.doi.org/10.1002/adma.201504967]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/01/kupferabsc...

Fabio Bergamin | ETH Zürich

Weitere Berichte zu: Bioelektronik Biosensoren Blattfeder Cytosurge ETH FluidFM Mikropipette Pipette Pipettenspitze Zellen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Projekt CeGlaFlex: Hauchdünne, bruchsichere und biegsame Keramik und Gläser
24.04.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Löschbare Tinte für den 3-D-Druck
24.04.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungen

Berührungslose Schichtdickenmessung in der Qualitätskontrolle

25.04.2017 | Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur lückenlosen Qualitätsüberwachung in der gesamten Lieferkette

25.04.2017 | Verkehr Logistik

Digitalisierung bringt Produktion zurück an den Standort Deutschland

25.04.2017 | Wirtschaft Finanzen