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Multiphoton Optics

Hochpräzise Winzlinge aus dem 3D-Drucker

| Autor/ Redakteur: Lisa Marie Waschbusch / Jürgen Schreier

Sieger beim Best of Industry Award 2018 des MM MaschinenMarkt in der Sparte Additive Fertigung ist die Multiphoton Optics GmbH. Die prämierte Technik: ein hochpräziser 3D-Drucker für optische Packages. Mit solchen Komponenten könnten die physikalischen Grenzen der elektrischen Datenübertragung überwunden werden. Der Lohn: Mehr Daten bei weniger Energieverbrauch.

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Sphärischer Mikrolinsen-Array
Sphärischer Mikrolinsen-Array
(Bild: Multiphoton Optics)

Frau Dr. Houbertz, Multiphoton Optics wurde in diesem Jahr mit dem Best of Industry Award der Fachzeitschrift "MM Maschinenmarkt" ausgezeichnet. Wofür eigentlich?

Für einen hochpräzisen 3D-Drucker, der im Prinzip eine automatisierte Herstellung optischer Packages ermöglicht. Schaut man sich die Produktionsprozesse an, die heute weltweit üblich sind, so wird man schnell feststellen, dass in der Optik noch viel Handwerk nötig ist. Wenn Sie sich überlegen, dass man einen kleinen Laser oder eine LED mit einer Optik versehen muss, um die bestmögliche Strahlform zu erhalten und wie bei LED das Licht an eine bestimmte Stelle zu lenken, dann bedeutet das sehr viel umständliche Arbeit. Mit unserer Technologie können wir eine Optik direkt auf einer Facette einem aktiven optoelektronischen Bauelement, wie einem Laser oder einem LED-Chip, fertigen.

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Multiphoton Optics ist ein Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC). Was hat Sie zur Gründung des Unternehmens bewogen?

Der Gründungsgedanke bestand eigentlich bereits 2007. Ich kam damals aus den Sandia National Laboratories, Albuquerque (USA), zurück und habe im Jahr 2000 bei der Fraunhofer-Gesellschaft als Wissenschaftlerin angefangen. Ich war zuständig für den Reinraum und die Herstellung von optischen Wellenleitern auf der Waferskala. Das Ziel bestand darin, die Datenübertragung energieeffizienter zu machen. Das war – wie gesagt – im Jahr 2000. Das Internet fing damals gerade an, so richtig "abzuheben". Die Prozessoren wurden immer kleiner, schneller und besser. Mir wurde klar, dass die elektrische Datenübertragung irgendwann gegen eine physikalische Wand laufen würde. Zum einem haben elektrische Datenleitungen einen gewissen Formfaktor. Man kann sie nicht beliebig eng zusammenpacken. Das gleiche gilt für Stecker und Anschlusselemente. Mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit nehmen natürlich auch die thermischen Probleme zu. Ich dachte, ich müsste eigentlich nur noch warten, bis die Community so weit war, der optischen Technologie eine Chance zu geben.

Am Fraunhofer ISC bearbeiteten wir damals einen großen Auftrag des österreichischen Leiterplattenherstellers AT & S. Es galt einen Prozess und ein an diesen Prozess adaptiertes Material zu entwickeln, um optische Bauelemente direkt miteinander verknüpfen. Allerdings wurde der potenzielle Kunde unseres Auftraggebers, ein Handyhersteller, an einen US-Konzern verkauft, der das Projekt einstampfte. Wir haben die Zeit genutzt und zwei Anlagen am ISC aufgebaut. 2007 fasste ich dann den Entschluss, mich mit der Technologie selbstständig zu machen und eine Firma zu gründen – auch wenn ich damals nicht ahnte, dass es ein Hardwareunternehmen werden würde. Eigentlich wollte ich nur die optische Datenübertragung als Technologie "in die Welt bringen". Das rasante Wachstum des Internets erforderte immer mehr Bandbreite in immer mehr Datenzentren,. Die Kosten stiegen enorm. Heute werden in den Datenzentren rund um den Globus Unmengen von Energie verbraucht, wobei ein Großteil durch Wärmedissipation verloren geht.

Diese Energie würde ich gerne einsparen. 2013 wurde dieses Vorhaben gewürdigt. Wir haben in den USA – und damit in einem Land, das nicht gerade den Ruf besitzt, besonders sparsam mit Energie umzugehen – den SPIE Green Photonics Award erhalten, wo wir mit unseren sehr effizienten Prozessen überzeugen konnten. Schließlich kommen wir bei unserer 3D-Druck-Technik mit sehr viel weniger Prozessschritten aus und benötigen viel weniger Ressourcen als andere Verfahren. Nicht nur die Komponenten, die man mit unseren Anlagen fertigen kann, sind sehr energieeffizient, sondern auch der Prozess.

Der Best of Industry Award ist nicht der erste Preis, den Sie bekommen haben; 2017 haben Sie den Gründerpreis der Fraunhofer-Gesellschaft bekommen. Begründung: Die Produkte und Dienstleistungen weisen einen unmittelbaren gesellschaftlichen Nutzen auf. Was muss man sich darunter vorstellen?

Ich denke, der Nutzen manifestiert sich an vielen Stellen. Er manifestiert sich in den Unternehmen. Wenn diese mit unseren Anlagen fertigen, sparen sie Ressourcen, Zeit , Mitarbeiter und letztlich Kosten. Zugleich erhöht sich die Funktionalität der Bauteile. Der Nutzen manifestiert sich außerdem in der Gesellschaft, denn durch den Einsatz optischer Technologien für die Datenübertragung lässt sich in erheblichem Ausmaß Energie einsparen.

Was kann mit den 3D-Druckern von Multiphoton Optics gefertigt werden?

Sie können – um ein paar Beispiele anzuführen – Mikrooptiken fertigen, die auf LED sitzen und dafür sorgen, dass mit diesen LED Räume homogener ausgeleuchtet werden können. Ohne solche konfektionierten Mikrolinsen ist die Ausleuchtung von LED-Lampen sehr inhomogen. Hellere Zonen wechseln sich mit dunkleren ab, was sehr stärend ist. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für solche Optiken sind Intraoralkameras. Das sind kleine Scanner, mit denen man 3D-Bilder vom Gebiss erstellen kann. Besitzt der Zahnarzt eine CAD/CAM-Fräse, so kann er mithilfe des Datensatzes, den der Scanner generiert hat, den Zahnersatz sofort anfertigen. Diese Kameras verfügen über ein bildgebendes Element, nämlich ein Mikrolinsen-Array, das man mit unserer Maschine fertigen kann - auch sehr spezielle Designs, was mit den herkömmlichen Prozessen nicht machbar ist.

Auch in anderen Bereichen der Medizin lässt sich unsere 3D-Druck-Technik einsetzen – etwa bei der Züchtung körpereigenen Gewebes, dem sogenannten Tissue Engineering. Nehmen Sie an, jemandem fehle wegen eines Unfalls ein Stück seiner Nase. Dann kann man das fehlende Stück nachzüchten, indem man eine Form vorgibt, die zu der Nase des Unfallopfers passt und auf der sich die Körperzellen ansiedeln. Diese Form nennt man eine extrazelluläre Matrix. Diese lässt sich im 3D-Druck mithilfe geeigneter Materialien herstellen. Bisher benutzt man dafür Schweinedärme, was oft zu Abstoßungsreaktionen führen kann. Ein besonders pfiffiges Beispiel dafür, was man mit winzigen, 3D-gedruckten Teilen machen kann, bietet die Haartransplantation. Das Problem besteht darin, dass die eingesetzten Follikel nicht besonders gut in der Kopfhaut halten. Zwei Wissenschaftler – der eine aus Russland, der andere aus Brasilien – haben sich deshalb einen kleinen Käfig ausgedacht, den sie mit einem Transplantationsroboter in die Kopfhaut einsetzen. In diesem Käfig wächst das Haar, bis sich dieser irgendwann zersetzt. Einen solchen Käfig haben wir hergestellt. Die Idee ist cool, die Methode automatisierbar, was bei keinem anderen Verfahren funktioniert.

Über Multiphoton Optics

Die 3D-Drucktechnologie der 2013 als Spin-off des Würzburger Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC) gegründete Multiphoton Optics GmbH nutzt ultrakurz gepulstes Laserlicht als Fertigungswerkzeug. Die Technologie basiert auf einem Zwei- oder Mehrphotonenabsorptionsverfahren (TPA / MPA) bei der additiven Herstellung, initiiert durch ultrakurze Laserpulse. Aufgrund der Natur des nichtlinearen Prozesses ist die Intensität nur hoch genug, um eine Reaktion in einem Material im stark begrenzten Brennvolumen auszulösen. Das Verfahren wird als hochpräziser 3D-Druck im Submikrometermaßstab bezeichnet, bei dem Strukturen im additiven Modus in photoempfindlichen Materialien wie Polymeren, Hybridpolymeren oder Spezialgläsern erzeugt werden.

Abhängig vom zu verarbeitenden Grundmaterial kann dieses Confinement nicht nur für die additive, sondern auch für die subtraktive Herstellung verwendet werden. Durch die Nutzung der spezifischen Eigenschaften der Femtosekunden-Lichtquelle können verschiedenste Materialien verarbeitet werden, wodurch auch Strukturen in Metallen mit sehr hoher Präzision erzeugt werden können.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der hergestellten Strukturen stehen in direktem Zusammenhang mit den gewählten Parametern im Herstellungsprozess. Durch Variation dieser Parameter können physikalische oder chemische Eigenschaften verändert werden, um Gradientenstruktureigenschaften zu erzeugen, die für viele verschiedene Anwendungen in der Photonik oder Biomedizin interessant sind. Dies wird als 4D-Druck bezeichnet, und Multiphoton Optics hat in den letzten zehn Jahren Pionierarbeit bei der 4D-Strukturierung von Materialien geleistet. Beispielsweise kann die mechanische Stabilität von additiv gefertigten Strukturen so verändert werden, dass ihr E-Modul oder ihre mechanische Festigkeit innerhalb der Strukturen unterschiedlich ist oder mechanisch unterschiedlich stabile Strukturen erzeugt werden können. Dies ist besonders beim Tissue Engineering von Interesse, da die Zellen es vorziehen, an ungiftigen Strukturen, die dem natürlichen Gewebe in seinen mechanischen Eigenschaften ähneln, zu haften, zu differenzieren und sich zu vermehren.

Multiphoton Optics bietet sowohl einen 3D-Drucker als auch eine Software an. Wie kann man sich das Zusammenspiel zwischen beidem vorstellen?

Wir bieten im Prinzip sogar zwei Softwarepakete an. Das eine gehört zum 3D-Drucker und steuert den Prozess. Die zweite Software dient zur Erstellung von lauffähigem Code. Indem wir die Software quasi zweigeteilt haben, ermöglichen wir dem Kunden, an seinem Arbeitsplatz mit einer Arbeitsplatzlizenz einen Code zu generieren, den die Maschine dann einfach abarbeitet. Man muss also den Code nicht direkt an der Maschine erstellen, was den Vorteil hat, dass man den Druckvorgang nicht unterbrechen muss. Fazit: Die Maschine kann rund um die Uhr laufen; 24 Stunden an sieben Tagen in der Woche.

Welche etablierten Technologien kann man mit der LithoProf3D-Technik ersetzen? Welche Vorteile hat das in der Anwendung?

Uns geht es nicht darum, etwas zu ersetzen. Wir sind nicht das 1000. Unternehmen, das wie die anderen 999 schreit: Das können wir auch. Wir sehen uns vielmehr als Brücke. Auf der einen Seite der Brücke sind all jene, die mit klassischen Technologien arbeiten – wie dem Diamantfräsen oder der Lithographie. Das ist die 2D-Welt. Alle Prozesse, mit denen Mikrochips hergestellt werden, befinden sich auf dieser Seite. Auf der anderen Seite der Brücke befinden sich die "normalen" 3D-Drucker, die schnell, aber oft mit extrem mäßiger Qualität arbeiten und mit denen keine Optiken hergestellt werden können. Wir schließen diese Lücke. Es gibt Designs, die sich nur mit unserer Technologie umsetzen lassen. Natürlich nicht auf Knopfdruck; auch hier stecken Prozesse dahinter. Unsere Technologie ist vollkommen in klassische Prozessketten integrierbar. Wir sind komplementär, sind begleitend, ermöglichen aber auch ganz Neues. Wir sind die Multiphoton Optics GmbH und nehmen auch sehr große Herausforderungen an.

Mithilfe optischer Übertragungssysteme könnte man beispielsweise den Energieverbrauch im IT-Bereich senken. Sind diese Techniken bereits einsatzfähig oder noch im Forschungsstadium?

Sie sind schon einsatzfähig, wobei wir uns aber nach wie vor primär im Prototyping bewegen. Was uns fehlt ist, dass Unternehmen bereit sind, Geld in die Hand zu nehmen – "überschaubares" Geld im Übrigen –, und etwas Neues zu wagen. Wenn man sich die Unternehmen anschaut, die weltweit unterwegs sind, dann war eigentlich unsere Hoffnung ein Unternehmen zu finden, das sagt: Die Technik ist toll, die hat Zukunft, die testen wir. Des deutschen Ingenieurs größte Angst ist, nicht alles bis zum Exzess durchdacht zu haben, anstatt die Sache pragmatisch anzugehen, zu schauen, wie weit man mit der neuen Technologie kommt und dann eine Entscheidung zu treffen. Zwar wollen die deutschen Manager alles haben, aber nur dann, wenn die Lösung für das Problem bereits fix und fertig auf dem Tisch liegt. Aber wo bleibt die Disruption, wenn alles schon durchgekaut ist? Man braucht den Willen, etwas zu tun. Aber dieser Wille wird nicht dadurch erklärt, das hinausschreit: Wir wollen! Sondern dadurch, dass man etwas tut. Deswegen liegt unsere Exportrate bei über 70 Prozent, was sehr schön, aber auch traurig ist, weil es dokumentiert, wie starr unsere deutsche Unternehmenswelt versucht mit der Zeit zu gehen.

Andererseits wird seit einiger Zeit gepredigt, etablierte Unternehmen müssten mit Start-ups zusammenarbeiten, um agiler zu werden...

Ganz ehrlich, das funktioniert nur dort, wo ein paar wirklich kreative Köpfe beieinander sind. Doch diese sitzen nicht zwingend in den Entscheiderpositionen. Wir als junges Unternehmen sind mit einer Geschwindigkeit unterwegs, die atemberaubend ist. Und jetzt kommt so ein Supertanker daher, der drei Tage vorher den Kurs ändern muss, um das richtige Ziel anzulaufen... Es fehlt unseren Managern einfach der Wille und auch die Traute, Verantwortung zu übernehmen für 100.000 oder 200.000 Euro, mit dem Ziel, etwas Neues auszuprobieren; dabei kostet ein Eigenheim heute schon mehr. Besonders ärgerlich: Das Potenzial ist da, aber es wird nur verwaltet. Folglich ist es schwierig, in Deutschland disruptive Technologien voranzubringen. Bei amerikanischen und asiatischen Unternehmen ist das anders. Deshalb befürchte ich, dass weiterhin Techniken abwandern werden, die man besser Deutschland halten sollte.

Welche Rolle hat der 3D-Druck im Kontext der Digitalisierung?

Digitaler Workflow beim 3D-Druck
Digitaler Workflow beim 3D-Druck
(Bild: Schreier)

Er fügt sich nahtlos in die Digitalisierung ein. Der gesamte Arbeitsfluss ist digital. Ich zeichne Ihnen das mal auf (siehe Grafik). Nehmen wir an, der Kunde möchte eine LED mit einer passenden Mikrooptik. Dazu gibt er uns ein Design für die Linse vor und liefert uns Daten. In der Regel wird das eine CAD-Datei sein, eventuell aber auch Tabellendaten. Die Daten werden im Computer umgesetzt, denn oft sind zusätzliche Prozessschritte notwendig, zum Beispiel eine Beschichtung. Oder die Daten müssen aufbereitet werden. Das bezeichnen wir als Prototyping und Engineering. Am Ende kommt ein Maschinencode heraus, der an die Maschine übertragen wird, die dann mit der Herstellung der Mikrooptik beginnt.

Wären mit dem 3D-Druck wieder eine stärkere Dezentralisierung der Produktion und ein Ende der großen Fabrik denkbar?

Ja, es ist angedacht, so etwas wie Multiphoton Optics Smart Print Fabs aufzubauen. Wir verstehen uns als Hard- und Softwareentwickler und nicht als Fertiger. Dafür gibt es Unternehmen, die das besser können und die bereits an die optische Industrie liefern. Mikrolinsen-Arrays sind schließlich Serienprodukte. Sie erstellen zunächst einen Master und können diesen dann replizieren. Genau dafür soll es die Smart Print Fabs gehen. Diese Fabs werden Sie natürlich nicht im UPS-Shop an der Ecke finden. Vielmehr sollen diese Smart Print Fabs von Kooperationen, auf Lizenzbasis oder im Rahmen eines Joint Ventures mit uns zusammenarbeiten. Hier geht es um Serie und um Masse und das in gleichbleibender Qualität und Zuverlässigkeit.

Vita Dr. Ruth Houbertz

1982– 1989

Universität des Saarlandes: Studium der Physik, NF Elektro-Technik, Wirtschaftswissenschaften

1989–1992

LMU München (Umzug der Arbeitsgruppe nach Ulm)

1992-1993

Uni Ulm, Ende der Promotion

1995

Geburt des Sohnes Hagen

Dez. 1993–März 1999

Universität des Saarlandes: Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Mai 1999–Mai 2000

Sandia National Laboratories, Albuquerque (USA): Visiting Scientist

Juni 2000–Mai 2002

Fraunhofer ISC, Würzburg: Wissenschaftlerin

Juni 2002–Juni 2006

Fraunhofer ISC: Head of Competence Team Hybrid Polymers for Microsystems

Juni 2006–Dez. 2010

Fraunhofer ISC: Head of Competence Team Hybrid Materials for Microsystems and Micromedicine

Jan. 2011–Mai 2013

Fraunhofer ISC: Head of Competence Unit Optics & Electronics

Sep. 2013–Juli 2014

Multiphoton Optics GmbH, Niedernberg: CTO and Entrepreneur

Juni 2013–Sep. 2014

Fraunhofer ISC: Senior Manager Photonics

Aug. 2014–Heute

Multiphoton Optics GmbH, Würzburg, CEO & Managing Director, Entrepreneur

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