Mikroelektronik Mikro-3D-gedruckte Düsen für die Spektroskopie

Die von Boston Micro Fabrication (BMF) entwickelte Projektionsmikro-Stereolithografie (PµSL) erweitert die Möglichkeiten der Mikroelektronik. Für die Ruhr-Universität Bochum (RUB) wurden mit einem Micro-Präzisionsdrucker Micro-Arch-S240-Düsen für die Spektroskopie gedruckt.

Spektroskopie bezeichnet eine Gruppe physikalischer Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie. Bei Flüssigkeiten wird für diese Methoden in der Regel eine Küvette verwendet, ein optisch klarer Behälter, der Proben enthält, während sie bestrahlt werden. Bei einigen Anwendungen, wie der Terahertz-Spektroskopie (THz) oder Untersuchungen mit einem Farbstofflaser, kann die Küvette Artefakte erzeugen oder die spektroskopische Analyse anderweitig stören.

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Mangel an geeigneten Düsen

Um den Einsatz einer Küvette zu umgehen, verwenden Forscher und Forscherinnen eine kleine, aber hochpräzise Düse, die einen Flüssigkeitsfilm oder -strahl erzeugt. Diese kleinen, hochpräzisen Düsen lassen sich durch Funkenerosion (EDM) herstellen. Doch die Ausrüstung dazu ist oft nicht verfügbar und kostspielig. Das Verfahren eignet sich nur für leitende Materialien und nicht für die oft vorgegebenen scharfen Ecken. 3D-Drucker sind zwar weit verbreitet und vielseitig, können aber nur selten kleine, hochpräzise Teile herstellen, insbesondere solche mit einer Öffnung von nur 0,2 Millimetern Durchmesser. 3D-Drucker, die solche Teile herstellen können, benötigen oft lange Druckzeiten. Das wird zum Problem, wenn höhere Stückzahlen und kürzere Durchlaufzeiten gefragt sind. Außerdem entsprechen die Materialeigenschaften der 3D-gedruckten Teile oft nicht den Anforderungen – Probleme, die auch in der Mikroelektronik häufig auftreten.

Vor diesen Herausforderungen stand Adrian Buchman, Doktorand am Lehrstuhl für Physikalische Chemie II an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Buchman benutzte handgefertigte Düsen für die spektroskopische Forschung, suchte aber nach einer besseren Alternative. Die fand er bei Boston Micro Fabrication (BMF), Pionier im Bereich Mikro-3D-Drucksysteme.

Photopolymerisation durch Lichtblitz

Die Düse, die Adrian Buchman benötigte, war nicht auf dem Markt erhältlich und erforderte einen Präzisionsgrad, der in Zehntel Mikrometern gemessen wurde. Außerdem brauchte er 18 Versionen dieser Düse, mit steileren oder flacheren Ausgängen, für eine Vielzahl von Anwendungen. Das Material der Düse musste dem hohen Druck, der für diese Anwendungen benötigt wird, standhalten. Die Herstellungsmethode sollte zudem große Mengen in kurzen Durchlaufzeiten produzieren.

Dadurch entdeckte Buchman die Projektions-Mikro-Stereolithografie (PμSL), eine additive Fertigungstechnologie von BMF, die Genauigkeiten von circa zehn Mikrometern erreicht. Diese Form der Stereolithografie (SLA) löst die Photopolymerisation einer Materialschicht durch einen Blitz von ultraviolettem UV-Licht aus. Das ermöglicht eine effiziente Verarbeitung bei kürzeren Bauzeiten. Es können speziell Flüssigpolymere mit gut geeigneten, mechanischen Eigenschaften verwendet werden. BMF verfügt außerdem über ein offenes Materialsystem, das zahlreiche Materialien von Drittanbietern umfasst.

18 Teile in vier bis fünf Stunden

Buchman beauftragte BMF mit dem Mikro-3D-Druck von Düsen in 18 leicht unterschiedlichen Versionen mit einem Micro-Arch-™S240-3D-Drucker des Unternehmens. Diese 10-µm-Serienplattform bietet Unternehmen und Universitäten eine ultrahohe Auflösung, Genauigkeit und Präzision in einem Desktop-Paket und wird auch für andere Elektronik-Komponenten eingesetzt. Das ausgewählte Photopolymer- Forward- AM- Ultracur® von BASF ist gelb oder schwarz transparent und kann sowohl für den Druck von Versuchs- als auch Serienteilen verwendet werden. Die spektroskopischen Bauteile mit Abmessungen von 2,4*2,4*2 Kubikmillimetern wurde in Schichthöhen von zehn Mikrometern in einer Gesamtdruckzeit von vier bis fünf Stunden für 18 Stück gedruckt. Buchman gefiel, dass der 3D-Drucker von BMF die verschiedenen Düsen schnell, präzise und in großen Mengen herstellen konnte. Nach dem Aushärten hat das Photopolymer gut geeignete Zug- und Biegeeigenschaften, und hält damit spektroskopischen Druckanforderungen stand. BMF konnte alle benötigten Teile innerhalb weniger Wochen produzieren.

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