Von Felix Lee, CEO bei Forgecise
Veröffentlicht: Juli 2026 | Lesezeit: 6 Minuten | Auf Richtigkeit geprüft: Reihe „Fortgeschrittene additive Fertigung“
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Kurzzusammenfassung
Forscher der Universität von Utah haben eine neue 3D-Drucktechnik entwickelt, die sie „3D-Druckverfahren“ nennt. Einzelbelichtungs-Holographie. Anstatt Mikrostrukturen Schicht für Schicht über mehrere Stunden aufzubauen, nutzt dieses Werkzeug Laserlicht, das durch eine Nanomaske geleitet wird, um eine gesamte Form in etwa 100 % der Polymerflüssigkeit auszuhärten. 20 Sekunden. Da das gesamte Objekt auf einmal ausgehärtet wird, werden die bei herkömmlichen 3D-Druckverfahren üblichen schwachen Nähte und das Ablösen der Schichten vollständig beseitigt.
Kurzübersicht der Leistungskennzahlen
| Besonderheit | Wert | Warum das wichtig ist |
|---|---|---|
| Druckgeschwindigkeit | ~20 Sekunden | Viel schneller als herkömmliches Laserdrucken, das Stunden dauert |
| Kleinste Merkmalsbreite | $6\ \mu\text{m}$ | Kann winzige Mikrokanäle drucken |
| Bauvolumen | $800 \times 800 \times 720\ \mu\text{m}^3$ | Druckt große Mengen mikroskopischer Formen auf einmal |
| Druckrate | $0,36 \times 10^6\text{ Voxel/Sekunde}$ | Hohe Geschwindigkeit für die Mikrofertigung in Fabriken |
| Verhältnis von Höhe zu Breite | Über 120:1 | Verhindert das Umkippen von extrem dünnen Konstruktionen |
| Flüssiges Material | SU-8 Fotolack | Industriestandard-transparentes Kunststoffpolymer |
1. Das Problem mit dem schichtweisen Mikro-3D-Druck
Standardmäßige 3D-Drucker bauen Objekte auf, indem sie dünne Schichten übereinander stapeln. Während dies für Plastikspielzeug oder große Prototypen hervorragend funktioniert, entstehen bei der Herstellung von Mikrobauteilen zwei große Probleme:
- Schwache Nähte und Ablösung der Schichten: Die Fugen, an denen zwei Schichten aufeinandertreffen, wirken wie Risse, die nur darauf warten, zu entstehen. Unter starkem Druck reißen diese Schichten auseinander.
- Sehr niedrige Geschwindigkeiten: Das Drucken mikroskopischer Teile Punkt für Punkt oder Schicht für Schicht dauert Stunden.
Im Juli 2026 stellten Forscher der Universität Utah eine neue Methode vor, die das Stapeln von Schichten vollständig überspringt.. Prof. Rajesh Menon und Forscher Dajun Lin aus der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik (Price College of Engineering) wurde eine Methode entwickelt, um vollständige Mikrostrukturen in einem einzigen Lichtblitz von etwa 20 Sekunden Dauer zu drucken.
2. Wie die holografische Lithografie mit Einzelbelichtung funktioniert
Bei der herkömmlichen 2D-Chipfertigung werden flache Schablonen (sogenannte Masken) verwendet, um Licht abzuschirmen. Dadurch entstehen flache elektronische Schaltkreise auf Siliziumwafern. Flache Masken können jedoch keine 3D-Formen innerhalb eines Materialblocks erzeugen, ohne Hunderte von Schneideschritten zu wiederholen.
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| HOLOGRAPHIC LITHOGRAPHY PROCESS |
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| [Laser Beam] |
| │ |
| ▼ |
| [Nanoscale Lens Mask] |
| │ (Fixes light bending & spreading before laser hits liquid) |
| ▼ |
| [SU-8 Liquid Polymer Tank] |
| │ (Laser energy focuses at target points inside liquid) |
| ▼ |
| [Flash Cures in ~20s] ➔ [Wash Away Soft Liquid] ➔ [Finished Object] |
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Fixierung von Lichtbrechungen im Inneren von flüssigem Polymer
Das Eindringen von Laserlicht tief in eine halbtransparente Polymerflüssigkeit ist schwierig. Die Flüssigkeit bricht und streut das Licht auf natürliche Weise, was zu einem unscharfen Bild führt.
Das Team aus Utah löste dieses Problem, indem es eine spezielle Lösung entwickelte. Nanoskalige Linsenmaske direkt vor dem Laser platziert:
- Vorkorrektur der Lichtstrahlen: Die mikroskopischen Muster auf der Maske verändern die Lichtstrahlen im Voraus, sodass sie die Streuung im Inneren der Flüssigkeit aufheben.
- Gezielter Energiefokus: Beim Durchgang des Laserlichts durch die Maske werden exakte Zielpunkte in der Flüssigkeit getroffen, wodurch der Kunststoff nur dort aushärtet, wo es nötig ist.
Die Ausstechförmchen-Analogie
Professor Rajesh Menon erklärte den Prozess anhand eines einfachen Vergleichs beim Backen:
„Die Nanomaske wirkt wie ein Ausstecher, der die komplizierte 2D-Form auf eine dicke Teigplatte zeichnet, während der Laser gleichzeitig als interne Wärmequelle dient, die das Polymerharz von innen heraus aushärtet.“
3. Das Polymermaterial und die Testergebnisse
Wie SU-8 Fotolack aushärtet
Der Drucker verwendet SU-8 Fotolack, ein robustes, flüssiges Epoxidharz, das in winzigen mechanischen Geräten Standard ist:
- Chemische Bindung: Hochenergetisches Laserlicht bricht chemische Bindungen in der Flüssigkeit auf, wodurch sich Polymerketten zu einer festen Form verbinden.
- Waschen von ungenutztem Harz: Weiche Flüssigkeiten, die nicht mit Laserlicht bestrahlt wurden, bleiben weich. Flüssige Lösungsmittel spülen sie ab und hinterlassen saubere, hohle 3D-Teile.
Gemessene Leistung
- Geschwindigkeit: Verfestigt ganze Mikroobjekte in ca. 20 SekundenDie
- Druckauflage: Misst bis zu $800 \times 800 \times 720\ \mu\text{m}^3$.
- Voxelrate: Erreicht 0,36 × 10^6 Voxel/Sekunde.
- Funktionsauflösung: Mikrokanäle können Innen- und Außenweiten bis hinunter zu $6\ \mu\text{m}$ aufweisen.
- Höhen-Breiten-Verhältnis (Seitenverhältnis): Übertrifft das Verhältnis von 120:1 ohne sich zu verbiegen oder zu brechen.
4. Labortests unter realen Bedingungen
Um zu beweisen, dass ihre gedruckten Teile auch in der Praxis funktionieren, fertigte das Team aus Utah Mikroröhrchen-Gitteranordnungen in mehreren komplexen Layouts an.
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| LAB EXPERIMENT RESULTS |
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| 1. Liquid Flow Test: |
| • Microtubes pull liquids through channels without leaking |
| |
| 2. Pressure Test: |
| • Parts handle repeated squeezing without layer cracking |
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- Flüssigkeitsbewegung: Tests bestätigten, dass die hohlen Mikroröhrchen Flüssigkeiten mithilfe natürlicher Flüssigkeiten durch ihre inneren Kanäle zogen. Kapillarwirkung. Die Kanäle blieben geöffnet und nicht blockiert.
- Druckkraft: In wiederholten Druckversuchen hielten die festen Mikroobjekte hohen Belastungen stand. Da sie in einem Arbeitsgang ohne Schichtgrenzen ausgehärtet wurden, rissen oder blätterten sie nicht ab.
5. Aktuelle Grenzen und was als Nächstes kommt
Professor Menon weist darauf hin, dass der Drucker zwar schnell ist, aber derzeit eine wesentliche Einschränkung hat:
- Aktuelle Phase („Erweiterte 2D-Version“): Das Werkzeug ermöglicht die vollständige Kontrolle über die X- und Y-Dimensionen, während die Form entlang der Z-Achse gezogen wird. Obwohl das Bauteil über Länge, Breite und Höhe in 3D verfügt, kann es derzeit keine völlig zufälligen 3D-Formen erzeugen, die sich gleichzeitig in alle Richtungen verändern.
- Zukünftige Aufgaben: Das Team baut motorisierte optische Bauteile, um Folgendes zu erreichen: vollständige 3D-Geometriekontrolle. Die Druckzeit von 20 Sekunden könnte auch ein kontinuierliches Drucken in Fließbandfertigung auf sich bewegenden Förderbändern ermöglichen.
6. Häufig gestellte Fragen
Frage 1: Was ist holografischer 3D-Druck mit Einzelbelichtung?
Antwort: Es handelt sich um ein Verfahren, das ein ganzes Mikroobjekt in etwa 20 Sekunden mithilfe eines einzelnen Laserblitzes, der durch eine strukturierte optische Maske geleitet wird, verfestigt. Anstatt Linien zu zeichnen oder Schichten übereinanderzulegen, härtet die Laserenergie das flüssige Photopolymer schlagartig aus.
Frage 2: Warum verhindert der Hologrammdruck das Aufreißen der Schichten?
Antwort: Durch die Aushärtung des gesamten Objekts in nur einer Belichtungsphase, ohne das Übereinanderlegen einzelner Schichten, werden Schichtrisse vermieden. So entsteht ein einziges, massives Stück ohne innere Nähte oder Schwachstellen.
Frage 3: Welches Polymermaterial verwendet dieser Drucker?
Antwort: Der Drucker verwendet SU-8-Fotolack, ein flüssiges Polymer auf Epoxidbasis. Beim Auftreffen von Laserlicht vernetzen sich die langen Polymerketten zu einer festen Struktur, während überschüssige Flüssigkeit in einem Lösungsmittel abgewaschen wird.
Frage 4: Wie klein sind die von diesem Drucker erzeugten Formen?
Antwort: Der Drucker kann Mikroröhrchenstrukturen mit einer Breite von nur 6 Mikrometern und einem Verhältnis von Höhe zu Breite von über 120 zu 1 innerhalb eines Bauraums von 800 x 800 x 720 Kubikmikrometern herstellen.
7. Zeitschriftenreferenz
- Titel des Beitrags: Holographische Lithographie von Mikrostrukturen mit ultrahohem Aspektverhältnis mittels Einzelbelichtung
- Zeitschrift: Nature Communications (Veröffentlicht im Juli 2026)
- Hauptautoren: Prof. Rajesh Menon und Dajun Lin (Menon-Labor)
- Universität: Abteilung für Elektrotechnik und Informatik, Price College of Engineering, Universität von Utah
- DOI-Link: 10.1038/s41467-026-73975-4
Über den Autor
Felix Lee ist der Geschäftsführer bei Forgecise, ein fortschrittliches Fertigungsunternehmen mit Fokus auf präzise additive Fertigung, Photopolymerhärtung und Strategien zur Produktionsausweitung.
- Anmerkung der Redaktion: Dieser Bericht wurde unabhängig verfasst. Alle technischen Kennzahlen wurden direkt mit der veröffentlichten Forschungsarbeit abgeglichen. Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-73975-4).