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Additive Manufacturing

Höchste Präzision auf kleinstem Raum

Hier sucht man die Innovationen mit der Lupe – oder am besten gleich mit dem Mikroskop. Nanostrukturen lassen sich inzwischen per 3-D-Drucker herstellen und eröffnen neue Möglichkeiten. Ein Überblick über Forschungsansätze.

04.04.2015
Höchste Präzision auf kleinstem Raum

Von passgenauen Ersatzteilen bis hin zu kundenindividuellen Produkten: Generative Fertigungsverfahren sind vielfältig einsetzbar – und manchmal sogar geradezu unsichtbar. Mit Hilfe der Multi-Photonen-Polymerisation (MPP), einem hochauflösenden Stereo-Lithografieverfahren, lassen sich sogar komplexe dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen herstellen. Fotosensitive Ausgangsmaterialien, wie Fotolacke, werden dafür per Laserstrahl belichtet und ausgehärtet. Die Skala reicht bis in den Submikrometerbereich.

Ein bekanntes Beispiel: Zum 25. Jahrestag des Mauerfalls druckten Wissenschaftler der Firma Nanoscribe, einer Ausgründung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) , das Brandenburger Tor im Maßstab 1:26.000 . Also gerade einmal 1 mm hoch und 2,5 mm lang.

Weit praktischere Anwendungen findet der Drucker in Forschung und Industrie: Die Strukturen werden zum Beispiel in der Optik, Medizin- oder der Mikrosystemtechnik (MEMS) eingesetzt. So lassen sich nicht nur winzige Einzelteile wie Zahnräder oder künstliche Gerüste für das Wachstum von Zellen herstellen, sondern auch große Objekte mit besonderen Eigenschaften versehen.

Ganz und gar nicht oberflächlich

Bisher waren mehrere Schritte notwendig, um zum Beispiel einen Gecko- oder Lotus-Effekt zu erzeugen. Anstatt diese Schicht nachträglich auf die Oberfläche aufzutragen, können die Strukturen mit Hilfe der Multi-Photonenlithografie in einem Schritt gedruckt werden – und das präziser als je zuvor. Ziel ist es, unter anderem für die Medizin Implantate zu entwickeln, die besser verträglich sind. Noch wird für solch fraktale Oberflächen noch vergleichsweise viel Zeit benötigt, doch arbeiten zum Beispiel deutsche und spanische Forscher an einer schnelleren Methode.

Auch das Fraunhofer-Institut IWS forscht gemeinsam mit der TU Dresden an neuen Methoden der additiv-generativen Fertigung, darunter Verfahren wie das selektive Laserstrahlschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder eben 3-D-Druck.

Das gewisse Extra für Werkstoffe

Noch können die Objekte, die komplett im 3-D-Drucker entstehen, nicht alle gewünschten Eigenschaften, wie thermische Stabilität oder Leitfähigkeit, erfüllen. Denn bisher sind die pulver- oder drahtförmigen Werkstoffe noch zu limitiert. Mit Hilfe von Nanopartikeln, die in das Material "eingeschleust" werden, könnten künftig mehr Materialklassen zur photonischen Bearbeitung zur Verfügung stehen. Laut einer Studie der Universität Duisburg-Essen lassen sich damit bestimmte magnetische oder auch optische Eigenschaften übertragen. Sowohl Metalle, Keramiken als auch Polymere sind nach Angaben der Forscher für zugesetzte Nanopartikel zugänglich.

Mehr Auswahl beim Ausgangsmaterial würde automatisch auch neue Anwendungsgebiete erschließen. So könnte zum Beispiel der funktionsorientierte Leichtbau profitieren, der noch mit hohen Material- und Prozesskosten zu kämpfen hat. Experten wie Martin Hillebrecht (Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien bei Edag) sehen in generativen Fertigungsmethoden die Chance zur Großserienproduktion: "Die Freiheitsgrade in der Entwicklung bis hin zur werkzeuglosen Fertigung werden diese Technologie zu einem Zukunftsthema machen."

Welche Einsatzmöglichkeiten bieten verschiedene 3-D-Druck-Verfahren in der Praxis? Finden Sie es bei der HANNOVER MESSE heraus – in der Digital Factory . Die ganze Bandbreite der Oberflächentechnologie erwartet Sie bei der SurfaceTechnology. Gemeinsam mit Experten aus Wissenschaft und Forschung werfen Sie bei der Research & Technology auch einen Blick in die Zukunft.

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