Dankzij een lasertechniek die ultrakleine metaaldruppels afschiet, is het mogelijk om druppel voor druppel driedimensionale structuren te printen, niet alleen eenvoudige ‘stapelingen’ zoals pilaartjes maar ook complexe overhangende structuren zoals een helix van enkele micrometers, en dat in puur goud. Dit maakt het mogelijk om nieuwe 3D componenten te printen met micrometer afmetingen, voor bijvoorbeeld elektronica of fotonica. Onderzoekers van de Universiteit Twente presenteren hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Additive Manufacturing.
Door een ultrakorte laserpuls te ”schieten” op een metalen nanolaag, smelt een klein druppeltje dat zich vervolgens losmaakt uit de metaallaag, naar zijn doel vliegt en ter plekke weer stolt. Dankzij deze techniek, laser-induced forward transfer (LIFT), bouwen de onderzoekers druppel voor druppel een structuur met afwisselend koperen en gouden microdruppels. Het koper fungeert als daarbij ondersteuning voor het goud. In hun paper in Additive Manufacturing laten zij bijvoorbeeld een geprinte helix zien: die kan als mechanisch veertje dienen of als elektrische spoel. De gouden helix wordt geprint met koper eromheen. Dit koperen boxje zorgt er onder meer voor dat een gouddruppel een nieuwe winding gaat vormen en niet op een onderliggende winding van de helix valt. Na het opbouwen van de helix, druppel voor druppel en laag voor laag, wordt het koperen ‘boxje’ chemisch weggeëtst. Wat overblijft is een puur gouden helix van nog enkele tientallen micrometers.
De helixvorm van goud zit eerst in een koperen 'boxje' (links is te zien dat afwisselend met koper en goud wordt geprint). Deze koperen drager wordt weggeëtst, zodat er een vrijstaande gouden helix overblijft.
De uiteindelijke helix. Afbeelding c is een bovenaanzicht dat laat zien dat de structuur middenin hol is. In afbeelding b is de helix nog ingebouwd in het koperen 'boxje'.
Geen vermenging
Het volume van de metaaldruppels is slechts enkele femtoliters: een femtoliter is 10-15 liter. Ter illustratie: een druppel van een femtoliter heeft een diameter van iets meer dan een micrometer. De druppels worden gemaakt door het metaal te belichten met een ultrakorte puls van groen laserlicht. Druppel-voor-druppel wordt de koper-goud structuur opgebouwd. Het was daarbij voor de onderzoekers de vraag of koper en goud ook zouden mengen tijdens het printen: dit zou immers gevolgen hebben voor de kwaliteit van het geëtste product. Uit het onderzoek blijkt dat er geen mening plaatst vindt. Omdat de structuur ‘druppel voor druppel’ wordt opgebouwd heeft het oppervlak wel enige ruwheid, tussen slechts 0.3 tot 0.7 micrometer.
De letters UT (Universiteit Twente), afgesloten door een punt, in 3D geprint.
Ook voor biomaterialen
De LIFT-techniek is kansrijk om ook in te zetten bij andere metalen en combinaties van metalen, in 3D elektronica, microsensoren, fotonica of voor biomedische technieken. Het is een belangrijke stap in het ‘functionaliseren’ van 3D-printing: het creëren van niet alleen de structuren, maar van structuren die een functie hebben. De basis is gelegd voor een krachtige nieuwe productietechniek op zeer kleine schaal.
Het onderzoek is uitgevoerd in de departementen Mechanics of Solids, Surfaces and Systems (MS3) en Design, Production and Management (DPM), die deel uitmaken van de faculteit Engineering Technology van de Universiteit Twente. De onderzoekers hebben samengewerkt met de onderneming DEMCON BV.
Het paper ‘Printing of Complex Free-standing Microstructures via Laser-induced Forward Transfer (LIFT) of Pure Metal Films’ door Matthias Feinaeugle, Ralph Pohl, Ton Bor, Tom Vaneker en Gert-willem Römer verschijnt in print in the december-editie van Additive Manufacturing en is nu online beschikbaar.
