Das Mikro-Endoskop aus dem 3D-Drucker

BMBF-Verbund Printoptics erforscht und entwickelt die flexible Fertigung von komplexen, miniaturisierten Abbildungssystemen mittels 3D-Mehrphotonen-Lithographie.
Schema links: Ein Laser beleuchtet ein winziges Bauteil. Schema rechts: Querschnitt durch ein Optiksystem mit mehreren hintereinander liegenden Linsen.

3D-Druck mittels 2-Photonen-Lithografie. Links: Femtosekunden-Laserbelichtung im Dip-In-Verfahren. Rechts: Modell eines dreilinsigen Optiksystems mit diffraktivem Element. Quelle: Universität Stuttgart

09.02.17

BMBF-Verbundprojekt Printoptics / VDI Technologiezentrum

Der 3D-Druck von Polymeren mittels Laserlithographie erlaubt auch die Herstellung optischer Komponenten. Da es sich beim 3D-Druck jedoch um ein serielles, und damit im Verglich zum etablierten Spritzgießen relativ langsames Verfahren handelt, hat es sich bisher zur Herstellung von Kunststoffoptiken nicht durchgesetzt. Allerdings gibt es bereits einige Anwendungsfälle, in denen es genutzt wird.

Im Sommer 2016 ist das Verbundprojekt „Printopics“ gestartet, das den 3D-Druck für die Herstellung komplexer miniaturisierter Optiken nutzt, die mittels Spritzgiessen oder anderen etablierten Verfahren entweder gar nicht oder nur sehr aufwändig herzustellen sind. Auf diesem Wege werden neue Anwendungen für diese Technik erschlossen und es soll insbesondere der Fertigung anspruchsvoller optischer Komponenten zum Durchbruch verholfen werden.

Das Funktionsprinzip des 3D-Drucks beruht darauf, dass ein schnell bewegter Laserstrahl in einem flüssigen Material eine chemische Reaktion (die Polymerisation) an der Stelle hervorruft, an der er sich gerade befindet. Durch diese Polymerisation verfestigt sich die Flüssigkeit zum Kunststoff, so dass mit scannenden Bewegungen des Laserstrahls das gewünschte Objekt Schicht für Schicht aufgebaut werden kann.

Der 3D-Druck ist immer dann das Mittel der Wahl, wenn seine immanenten Vorteile zum Tragen kommen. Dies erwartet man insbesondere für die Herstellung von komplexen Mikrooptiken und solchen Systemen, die auf konventionellem Wege entweder gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu fertigen sind. Für solche Mikrooptiken mit Abmessungen zwischen 10µm und 1mm eröffnet der 3D-Druck völlig neue Design- und Anwendungsmöglichkeiten. So lassen sich mit hoher Genauigkeit gleich ganze Optiksysteme monolithisch aufbauen, sogar unter Einschluss von leeren oder mit Flüssigkeit gefüllten Kavitäten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass anspruchsvolle Oberflächen, wie z.B. optische Fasern oder auch Nadelspitzen, direkt mit der Optik bedruckt werden können - die aufwändige Montage und Justage der Optik entfällt.

Höchste Abbildungsqualität für miniaturisierte Endoskope

Die Möglichkeit, qualitativ hochwertige Optiken direkt auf Glasfasern zu drucken, eröffnet neue Perspektiven für die Miniaturisierung endoskopischer Systeme. Diese könnten weiter verkleinert werden, so dass sie auch zur Inspektion von Hohlräumen unter 2mm Durchmesser eingesetzt werden können, die bislang aufgrund ihrer geringen Größe nicht in der erforderlichen Genauigkeit untersucht werden konnten, aber von hoher medizinischer Relevanz sind.

Die Anforderungen an die Qualität der für solche Systeme erforderlichen Komponenten sind beträchtlich und werden von den heute verfügbaren 3D-Druckern nicht erreicht. Es müssen Freiformdesigns mit einer Formtreue von besser als einem Viertel der Wellenlänge, also etwa 200nm, hergestellt werden. Des Weiteren müssen zusätzliche Funktionalitäten, wie diffraktive Strukturen und Entspiegelungen aufgebracht werden, soll die erforderliche Abbildungsqualität erzielt werden. Das Herstellungsverfahren muss einerseits die hohen Anforderungen an die Qualität der jeweiligen Komponenten erfüllen, gleichzeitig aber noch schneller und flexibler werden.

Im Vorhaben soll zunächst demonstriert werden, dass das Verfahren des 3D-Drucks dazu geeignet ist, endoskopische Systeme einschließlich der Beleuchtungsoptiken in der erforderlichen Qualität zu erzeugen und es darüber hinaus möglich ist, das Verfahren als solches soweit zu verbessern, dass sich mit diesem die Optiken wirtschaftlich herstellen lassen. Weitere Untersuchungen im Projekt befassen sich mit der Identifizierung von Anwendungsmöglichkeiten jenseits der Endoskopie, wie etwa in der Messtechnik.

Der Verbund „Printoptics“ (voller Projekttitel: Komplexe 3D-gedruckte Mikro-Abbildungssysteme) ist Anfang Juli 2016 gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis Ende Juni 2019 im Rahmen der Förderinitiative „Photonik Plus - Neue optische Basistechnologien“ mit rund 1,64 Millionen Euro gefördert. Projektpartner sind das Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart, die Nanoscribe GmbH und die Karl Storz GmbH & Co. KG.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt „Printoptics“ (PDF)

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