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.
Vor diesen Herausforderungen stand Adrian Buchmann, Doktorand am Lehrstuhl für Physikalische Chemie II an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) in Bochum. Buchmann benutzte handgefertigte Düsen für die spektroskopische Forschung, suchte aber nach einer besseren Alternative. Er fand sie bei Boston Micro Fabrication (BMF).
Auf der Suche nach einer Lösung
Die Düse, die Adrian Buchmann benötigte, war nicht auf dem Markt erhältlich und erforderte einen Präzisionsgrad, der in zehn Mikrometern (µm) gemessen wurde. Außerdem wollte er 18 Versionen dieser Düse, viele mit steileren oder flacheren Ausgängen, um eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen. Das Material der Düse musste den hohen Drücken, die bei diesen Anwendungen auftreten, standhalten, und das Herstellungsverfahren musste die Produktion größerer Mengen mit einer relativ kurzen 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 mit einem der microArch® S240 3D-Drucker des Unternehmens. Diese 10-µm-Serienplattform ist eine ideale Lösung für Unternehmen und Universitäten, die eine extrem hohe Auflösung, Genauigkeit und Präzision in einem Desktop-Paket benötigen. Das RG-Photopolymer, das BMF ausgewählt hat, ist ein Forward AM Ultracur® Photopolymerharz von BASF. Dieses haltbare technische Material ist gelb oder schwarz transparent und kann sowohl für den Druck von Funktionsteilen als auch für den Endverbraucher verwendet werden.
Jedes der spektroskopischen Bauteile, die BMF 3D-gedruckt hat, maß 2,4*2,4*2 mm^3. Die Schichthöhe betrug 10 µm und die Gesamtdruckzeit für 18 Stück lag bei nur 4 bis 5 Stunden. Buchmann gefiel, dass der 3D-Drucker von BMF die erforderliche Präzision bot und die verschiedenen Düsen schnell und in großen Mengen herstellen konnte. Nach der Aushärtung verfügt das RG-Photopolymer über qualifizierte Zug- und Biegeeigenschaften, die auch spektroskopischem Druck standhalten können. Wichtig ist, dass BMF in der Lage war, alle Teile, die Buchmann benötigte, innerhalb mehrerer Wochen zu produzieren.
Auswerten des Experiments
Adrian Buchmann von der RUB sagt: "Ich empfehle die BMF PµSL-Technologie für den Druck spezieller Spektroskopie-Komponenten, weil sie die geforderte Genauigkeit liefert und schnell verschiedene Spezifikationen in einem Polymer herstellen kann, das dem erforderlichen Druck standhält." Derzeit arbeitet Buchmann an einem Adapter, mit dem sich die 3D-gedruckten Düsen testen lassen. Sobald die Tests abgeschlossen sind, wird es ein Update zu dieser Fallstudie geben.
Um mehr zu erfahren, lesen Sie hier das vollständige Forschungspapier.
