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. Um den Einsatz einer Küvette zu umgehen, verwenden Forscher 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 nicht ohne Weiteres verfügbar und kostspielig. Das Verfahren eignet sich nur für leitende Materialien und nicht für die oft vorgegebenen scharfen Ecken. 3D-Drucker sind weit verbreitet und vielseitig, können aber nur selten kleine, hochpräzise Teile herstellen, insbesondere solche mit einer Öffnung von nur 0,2 mm Durchmesser. 3D-Drucker, die solche Teile herstellen können, benötigen oft lange Druckzeiten. Dies wird zum Problem, wenn höhere Stückzahlen und kürzere Durchlaufzeiten gefragt sind. Außerdem entsprechen die Materialeigenschaften der 3D-gedruckten Teile oft nicht den Anforderungen.
Dies waren die Herausforderungen, denen sich Adrian Buchmann, Doktorand am Lehrstuhl für Physikalische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum (RUB) in Bochum, Deutschland, gegenübersah. Buchmann verwendete handgefertigte Düsen für die spektroskopische Forschung, suchte jedoch nach einer besseren Alternative. Diese fand er bei Boston Micro Fabrication (BMF).
Auf der Suche nach einer Lösung
Die von Adrian Buchmann benötigte Düse war nicht kommerziell erhältlich und erforderte eine Präzision im Zehntel-Mikrometerbereich (µm). Darüber hinaus wünschte er 18 Versionen dieser Düse, viele davon mit steileren oder flacheren Auslässen, um eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen. Das Düsenmaterial musste den hohen Drücken standhalten, die mit diesen Anwendungen verbunden sind, und das Fertigungsverfahren musste die Produktion in größeren Mengen mit einer relativ schnellen Durchlaufzeit ermöglichen.
So entdeckte Buchman die Projektions-Mikro Stereolithografie (PμSL), eine additive Fertigungstechnologie von BMF, die Genauigkeiten von +/- 10 µm erreicht. Diese Form der Stereolithografie (SLA) löst die Photopolymerisation einer Materialschicht durch einen Blitz von ultraviolettem (UV) Licht aus. Dies 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.
3D Druck von Mikro-Düsen
Buchmann beauftragte BMF mit dem Mikro-3D-Druck von Düsen in 18 leicht unterschiedlichen Versionen unter Verwendung eines der unternehmenseigenen microArch® S240 3D-Drucker. Diese 10-µm-Serienplattform ist eine ideale Lösung für Unternehmen und Universitäten, die eine extrem hohe Auflösung, Genauigkeit und Präzision in einem Desktop-Format benötigen. Das von BMF ausgewählte RG-Photopolymer ist ein Forward AM Ultracur® Photopolymerharz von BASF. Dieses langlebige technische Material ist transparent gelb oder schwarz gefärbt und kann sowohl für funktionale als auch für Endanwendungsteile verwendet werden.
Jede der von BMF 3D-gedruckten spektroskopischen Komponenten maß 2,4*2,4*2 mm³. Die Schichthöhe betrug 10 µm und die gesamte Druckzeit für 18 Teile lag bei nur 4 bis 5 Stunden. Buchmann schätzte, dass der 3D-Drucker von BMF die erforderliche Präzision bot und die verschiedenen Düsen schnell und in großen Mengen herstellen konnte. Im ausgehärteten Zustand weist das RG-Photopolymer gut qualifizierte Zug- und Biegeeigenschaften auf, die spektroskopischen Drücken standhalten können. Wichtig ist, dass BMF alle von Buchmann benötigten Teile innerhalb weniger Wochen herstellen konnte.
Bewertung des Experiments
Wie Adrian Buchmann von der RUB erklärt, „empfehle ich die BMF PµSL-Technologie für den Druck spezialisierter Spektroskopiekomponenten, da sie die erforderliche Präzision liefert und schnell unterschiedliche Spezifikationen in einem Polymer herstellen kann, das dem erforderlichen Druck standhält.“ Derzeit arbeitet Buchmann an einem Adapter, der zum Testen der 3D-gedruckten Düsen verwendet werden kann. Nach Abschluss der Tests wird ein Update zu dieser Fallstudie bereitgestellt.
Um mehr zu erfahren, lesen Sie hier das vollständige Forschungspapier.
