Nanoskaliger 3D-Druck scheint für die Kommerzialisierung bereit zu sein

3D-Druck ist derzeit voll im Trend. Auch bekannt als das additive Fertigungsverfahren, wird bei der dreidimensionalen bzw. 3D-Druck ein Objekt mithilfe eines digitalen Modells anstelle einer Form erstellt. In diesem Prozess werden mehrere dünne Materialschichten übereinandergelegt.

Erfinder entwickelten die Technik 1984, doch erst kürzlich begann sie an Fahrt zu gewinnen, da technologische Fortschritte sie zu einem praktikablen Fertigungsverfahren machten.

Hersteller in vielen Branchen nutzen diese Technik, um schnell Prototypen zu erstellen, bevor sie Produkte in Serie fertigen. Durch schnellere, einfachere und kostengünstigere Prototypen fördert der 3D-Druck mehr Innovation und Experimentierfreude.

Heute ist das Geschäft mit 3D-Druck massiv gewachsen, wobei ständige Weiterentwicklungen und Forschung die Technologie weiter verbessern. Das Interesse am 3D-Druck ist so groß, dass Wissenschaftler nun an Fertigungstechniken im Mikro- und Nanoskala-Bereich arbeiten.

Während 3D-Druck zu langsam für die Massenproduktion ist, könnte der nanoskalige 3D-Druck dieses Problem lösen und dürfte bald einsatzbereit sein.

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Nanoskaliger 3D-Druck & sein Potenzial

Seit die 3D-Drucktechnologie eingeführt wurde, hat die Produktivität in der Fertigung zugenommen. Dieser Anstieg ist vor allem darauf zurückzuführen, dass 3D-Druck erhebliche Gestaltungsfreiheit ermöglicht, indem strukturelle oder räumliche Beschränkungen traditioneller Fertigungsverfahren wegfallen. Außerdem zeichnet er sich durch Materialeffizienz aus und bietet das Potenzial für eine geringe oder gar keine Abfallproduktion. 3D-Druck spielt zudem eine entscheidende Rolle bei der Senkung von Kosten und Markteinführungszeit für kleine Hersteller.

Allerdings beschränken sich die meisten Anwendungen des 3D-Drucks auf die Zentimetergröße. Darüber hinaus begrenzen mechanische und materialbezogene Herausforderungen seine Nutzung hauptsächlich auf Forschungsanwendungen. Um den 3D-Druck also auf ein Massenfertigungsniveau zu erweitern und über das reine Prototyping hinauszuentwickeln, muss die Technologie bestimmte Herausforderungen in Bezug auf Größe, Material und Kosten bewältigen.

Aus diesem Grund verwenden viele Forscher mehrere Materialien in verschiedenen Größenskalen, eine Entwicklung, die den nanoskaligen 3D-Druck in den Fokus rückt. Nanotechnologie befasst sich mit Messungen von weniger als 100 Nanometern, einer so winzigen Skala, dass sie mit bloßem Auge unsichtbar ist.

Im Bereich des nanoskaligen 3D-Drucks besteht das Ziel darin, Objekte im Nanometerbereich zu drucken. Diese Technologie stellt einen vielversprechenden Fortschritt im additiven Fertigungsbereich dar und ermöglicht die Zusammenstellung von Objekten Atom für Atom.

Das Potenzial der nanoskaligen Technologie erstreckt sich auf die Steigerung von Effizienz und Produktivität in verschiedenen Branchen, wie Batterien, Nanorobotik, Mikroelektronik, Medizintechnik, Halbleitern und Sensortechnologien. Diese Sektoren können erheblich von der Präzision nanoskaliger Herstellung profitieren, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Dennoch bleibt der 3D-Druck-Prozess, auch im Nanoskala, langsam. Er stößt zudem auf Beschränkungen bei den Materialarten, die verwendet werden können, insbesondere beim nanoskaligen Druck.

Im Jahr 2022 entwickelten Forscher ein neues nanoskaliges 3D-Druckverfahren mit einem Material, das hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Kräften bietet, Schutz gewährt und bei gleicher Dichte doppelt so viel Energie absorbieren kann wie andere Materialien. Dieser Fortschritt eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Drohnen, Satelliten und Mikroelektronik.

Ein weiteres großes Hindernis bei der Einführung von 3D-Druck-Technologie sind die Kosten. Die verwendeten Materialien sind teuer, und die 3D-Druckmaschinen selbst, die von der Fähigkeit abhängen, Produkte mit spezifischen Spezifikationen herzustellen, sind kostspielig.

Zusätzlich erhöhen die Ausgaben für Software, technologische Wartung und Systemintegration die Gesamtkosten dieser Technik weiter. Aufgrund dieser hohen Kosten bleibt 3D-Druck eher für Kleinserien und hochspezialisierte Produktion machbar.

Die Forschung in diesem Bereich läuft bereits seit einiger Zeit, um verschiedene Probleme anzugehen. Zum Beispiel hat ein Forscherteam vor einigen Jahren demonstriert eine 3D-Drucktechnik, die komplexe nanoskalige 3D-Objekte schnell mit glatten Merkmalen erzeugt.

Allerdings bleibt die Tatsache bestehen, dass trotz seines Potenzials zur Weiterentwicklung vieler Geräte der nanoskalige 3D-Druck extrem kostenintensiv ist. Dies könnte sich nun endlich ändern, da neue Forschungen einen Ansatz gefunden haben, der die Kosten und Eintrittsbarrieren drastisch reduziert und den Prozess für die Kommerzialisierung machbar macht.

Schnellere & günstigere Methode, winzige Metallstrukturen mit Licht zu drucken

Die neueste Forschung hat eine neue Methode entwickelt, nano-große Metallstrukturen mit niedrigintensivem Licht zu drucken. Dieser neue lichtbasierte Ansatz ist extrem schnell, bis zu 480‑mal schneller als die derzeit verwendeten Methoden, und gleichzeitig kostengünstig.

Diese neue Studie mit dem Titel „Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)“ wurde kürzlich von den Mitautoren Sourabh K. Saha, Assistenzprofessor im Maschinenbaustudiengang der Georgia Tech, und Jungho Choi, einem Doktoranden in Sahas Labor, durchgeführt.

Laut Saha sind Kosten und Geschwindigkeit zwei Faktoren, die in der Wissenschaftsgemeinschaft bei der Herstellung und Fertigung winziger Strukturen „stark unterschätzt“ werden. Obwohl sie in der Wissenschaft übersehen werden, sind diese Kennzahlen in der Praxis „entscheidend, wenn es darum geht, Entdeckungen aus dem Labor in die Industrie zu übertragen“.

„Nur wenn wir Fertigungstechniken haben, die diese Kennzahlen berücksichtigen, können wir das Potenzial der Nanotechnologie vollständig zum gesellschaftlichen Nutzen ausschöpfen.“

– sagte Saha

Choi und Saha sind außerdem Erfinder einer SLP-Patentanmeldung, deren geistige Eigentumsrechte an die Georgia Tech Research Corporation übertragen wurden.

Veröffentlicht in Advanced Materials, einer wöchentlich erscheinenden, peer‑reviewten Fachzeitschrift, zeigte die neue Studie, dass diese Forscher eine lichtbasierte Methode zur Herstellung nanoskaliger Metallstrukturen entwickelt haben, die schneller, günstiger und skalierbar ist.

Damit hat diese Technologie das Potenzial, das Feld der additiven Fertigung zu revolutionieren, das derzeit unerschwinglich teuer und langsam ist. Dieser Durchbruch ist 35‑mal günstiger als derzeit auf dem Markt verfügbare Technologien.

Tatsächlich gibt es zahlreiche technologische Fortschritte in verschiedenen Bereichen, die auf die Fähigkeit zum Drucken nano‑großer Metallstrukturen, einer als Nanopatterning bekannten Technik, angewiesen sind. Zu diesen Bereichen gehören Sensoren, elektronische Geräte, Photonik, Solarenergieumwandlung, Biomedizin und Diagnostik sowie weitere Systeme.

Beim nanoskaligen Druck wird angenommen, dass das Verfahren eine hochintensive Lichtquelle erfordert. Ein solches Werkzeug ist ein Femtosekundenlaser, der ultrakurze Laserpulse auf einen Brennpunkt liefert.

Obwohl er sehr nützlich ist, kann dieses Werkzeug extrem teuer sein. Da es bis zu einer halben Million Dollar kosten kann, ist es für die meisten Forschungslabore und selbstverständlich für kleine Unternehmen kaum realisierbar.

Wie Saha feststellte, ist gerade diese Kostenfrage der Grund, warum diese Durchbrüche kaum jemals in der realen Welt Anwendung finden und letztlich nur Laborprojekte bleiben. Er sagte:

„Als wissenschaftliche Gemeinschaft haben wir nicht die Möglichkeit, genügend dieser Nanomaterialien schnell und kostengünstig herzustellen, und deshalb bleiben vielversprechende Technologien häufig auf das Labor beschränkt und werden nicht in reale Anwendungen übertragen.“

Die nächste offensichtliche Frage lautet also, ob ein solches hochintensives Werkzeug wirklich nötig ist. Die Antwort war negativ, wie Saha sagte:

„Unsere Hypothese war, dass wir diese Lichtquelle nicht benötigen, um die gewünschte Druckart zu erreichen.“

Infolgedessen begannen die Forscher, nach einem kostengünstigen Licht zu suchen, das geringe Intensität hat, aber ähnlich wie Femtosekundenlaser fokussiert werden kann. Sie stießen dabei auf superlumineszierende Leuchtdioden (SLEDs), die wegen ihrer kommerziellen Verfügbarkeit ausgewählt wurden.

Ein SLED ist eine superlumineszenzbasierte, randemittierende Halbleiterlichtquelle, die die Helligkeit und hohe Leistung von Laserdioden mit der geringen Kohärenz herkömmlicher Leuchtdioden kombiniert. Das von SLEDs ausgestrahlte Licht ist deutlich weniger intensiv als das von Femtosekundenlasern.

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Niedrigintensives, lichtbasiertes, projektionsartiges Nano‑Drucken

Mit dieser Forschung wollten Choi und Saha die erste projektionsbasierte Drucktechnologie entwickeln. Dieses System ist so konzipiert, dass es wie ein Digitalprojektor funktioniert, indem es Bilder von digital zu optisch umwandelt und sie anschließend auf einer Glasoberfläche darstellt.

Allerdings sind die von dieser Drucktechnologie erzeugten Bilder schärfer fokussiert. Diese Schärfe resultiert aus der Nutzung der einzigartigen Eigenschaften des superlumineszenten Lichts, um Bilder mit minimalen Defekten zu erzeugen.

Diese SLP‑ oder superlumineszente Lichtprojektions‑Technik druckt schnell sub‑diffraktive (d.h. kürzer als die Beugungsgrenze des verwendeten Lichts) Nanostrukturen mit weniger intensivem Licht. Die Forscher nutzten die räumlichen und zeitlichen Kohärenzeigenschaften des diodebasierten superlumineszenten Lichts.

Für ihre Forschung nutzten sie Metallsalze zusammen mit anderen Chemikalien, um eine klare Tintenlösung zu entwickeln, die Licht absorbieren kann. Wenn das Licht ihres Projektionssystems auf die Lösung traf, löste es eine chemische Reaktion aus, die die Lösung in Metall umwandelte. Diese Metallnanopartikel hafteten an der Glasoberfläche und bildeten die Nanostrukturen.

Da es sich um eine projektionsbasierte Drucktechnologie handelt, kann sie ganze Strukturen auf einmal drucken. Die Tatsache, dass sie nicht Punkt für Punkt, sondern in einem Durchgang arbeitet, macht sie schneller als andere konventionelle Verfahren.

Tests des lichtbasierten, projektionsartigen Nano‑Metall‑Drucks zeigten, dass er selbst mit niedrigintensivem Licht funktioniert, sofern die Bilder scharf fokussiert sind.

Laut Choi und Saha kann ihre Arbeit von anderen Forschern schnell mit handelsüblicher Hardware reproduziert werden. Das wird ebenfalls nicht viel kosten, da der in ihrer Forschung verwendete SLED-Typ etwa 3.000 $ kostet.

Auf diese Weise ermöglicht die Forschung kleinen Unternehmen, Forschungszentren und sogar Einzelpersonen, die Technologie zu nutzen und damit zu experimentieren, um Innovationen zu schaffen. Laut Choi:

„Derzeit haben nur Spitzenuniversitäten Zugang zu diesen teuren Technologien, und selbst dann befinden sie sich in gemeinsamen Einrichtungen und sind nicht immer verfügbar.“

Weiterhin sagte Choi:

„Wir wollen die Fähigkeit des nanoskaligen 3D-Drucks demokratisieren und hoffen, dass unsere Forschung den Weg für einen breiteren Zugang zu diesem Prozess zu geringen Kosten öffnet.“

Dieser Durchbruch hat das echte Potenzial, neue Technologien endlich aus den Forschungslabors in die praktische Anwendung zu bringen.

Die Forschung hat zweifellos ein breites Anwendungspotenzial, wobei die Forscher angeben, dass ihre Technik insbesondere in den Bereichen Optik und Plasmonik nützlich sein wird, die eine Vielzahl komplexer metallischer Nanostrukturen erfordern.

Weitere potenzielle Anwendungsbereiche in der Zukunft umfassen kleinere und effizientere elektronische Bauteile für Smartphones, Computer und Wearables. Darüber hinaus kann sie bei fortschrittlichen Sensoren, Aktuatoren, miniaturisierten Kommunikationssystemen, biomedizinischen Geräten wie Implantaten und Diagnosegeräten, kleinmaßstäbiger Optik für Kameras und Bildgebungssysteme, winzigen Energieerntungsgeräten sowie der Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften helfen.

Nanoskaliger 3D-Druck wird die Forschung weiter unterstützen und zur Entwicklung noch praktikablerer Lösungen beitragen.

Unternehmen, die die additive Fertigung anführen

Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die im Bereich der additiven Fertigung führend sind:

#1. Stratasys

Der in den USA ansässige Anbieter von 3D‑Drucklösungen ist ein internationaler Marktführer in der additiven Fertigungsindustrie. Stratasys liefert eine Vielzahl von 3D‑Druckern und Materialien für die Automobil-, Gesundheits-, Bildungs-, Luft‑ und Raumfahrt sowie für zahlreiche weitere Branchen. Das Unternehmen verfügt zudem über zahlreiche Patente für additive Technologien, die zur Erstellung von Modellen, Prototypen, Fertigungswerkzeugen und Produktionsteilen verwendet werden.

Der neueste 3D‑Drucker des Unternehmens, der F3300, bietet erhebliche Verbesserungen bei Geschwindigkeit und Kosten. Er verfügt über höhere Achsgeschwindigkeiten, schnellere Extrusionsraten und eine automatisierte Kalibrierung, um Zeit zu sparen und den Durchsatz zu erhöhen. Die Maschine ist für die Produktion von Endbauteilen konzipiert und kann auch für das Prototyping eingesetzt werden.

Mit einer Marktkapitalisierung von 902,6 Millionen $ notieren die Aktien von Stratasys derzeit bei 13,05 $, ein Rückgang von 8,61 % seit Jahresbeginn (YTD). Das Unternehmen erzielte in den letzten zwölf Monaten (TTM) einen Umsatz von 630,52 Millionen $ bei einem EPS (TTM) von -1,61 und einem KGV (TTM) von -8,10.

#2. 3D Systems

Ein bekannter Name in der additiven Fertigungsindustrie, 3D Systems (DDD ) bietet eine breite Palette von 3D‑Drucklösungen, von Hardware und Software über Materialien bis hin zu Branchen wie Gesundheitswesen, Luft‑ und Raumfahrt, Verteidigung, Automobil, Konsumgüter und allgemeine Fertigung.

Die Technologien von 3D Systems umfassen Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithografie (SLA) und SLA‑basiertes Bioprinting.

Ende letzten Jahres kündigte das Unternehmen ein patientenspezifisches, 3D‑gedrucktes Schädelimplantat an, das erfolgreich bei einer Kranioplastik im Universitätsspital Basel eingesetzt wurde. Der Einsatz von 3D‑gedruckten Schädelimplantaten wird voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts ein Marktvolumen von 2,1 Mrd. $ erreichen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 677,845 Millionen $ notiert die Aktie von 3D Systems Corp derzeit bei 5,08 $, ein Rückgang von 20 % seit Jahresbeginn (YTD). Das Unternehmen erzielte einen Umsatz (TTM) von 505,95 Millionen $ bei einem EPS (TTM) von -0,74 und einem KGV (TTM) von -6,85.

#3. GE Additive

Als Sparte des Technologieriesen General Electric (GE.TO ) verfügt GE Additive über ein umfassendes Portfolio an Druckern, Verbrauchsmaterialien und Softwarelösungen, die Unternehmen in verschiedenen Marktsegmenten Innovationen ermöglichen.

Im vergangenen Monat präsentierte das Unternehmen seine Metall‑Binder‑Jet‑Technologie auf der größten europäischen Fachmesse für additive Fertigung (AM). Dafür arbeitet GE Additive mit einer neuen Branche, dem Medizinbereich, zusammen, um seine Reichweite über die Luft‑ und Raumfahrt hinaus zu erweitern. Mit Binder‑Jets will das Unternehmen „eine sekundäre Fertigungsmethode bereitstellen, falls ein Problem in der Lieferkette auftritt.“

Mit einer Marktkapitalisierung von 141,4 Milliarden $ notieren die Aktien von General Electric Co derzeit bei 129,93 $, ein Anstieg von 1,8 % seit Jahresbeginn (YTD). Das Unternehmen erzielte einen Umsatz (TTM) von 67,95 Milliarden $ bei einem EPS (TTM) von 8 und einem KGV (TTM) von 16,24. GE zahlt zudem eine Dividendenrendite von 0,25 %.

Abschließende Gedanken

Obwohl sich die Forschung noch in den frühen Phasen befindet, entwickeln sich nanoskaliger 2D‑Druck und das Umfeld der additiven Fertigung rasant. Wie bereits gezeigt, werden schnellere und günstigere Drucktechniken entwickelt, die den nanoskaligen Metalldruck skalierbar und kommerziell nutzbar machen.

Während neue Forschungen weiterhin an Problemen wie Kosten und Materialbeschränkungen arbeiten, werden neue Lösungen entstehen, die Eintrittsbarrieren beseitigen und personalisierte sowie nachhaltige Produktdesigns ermöglichen. Dies wird zu einer breiten Anwendung der Techniken in Medizin, Mode, Konsumgütern, fortschrittlicher Elektronik und vielem mehr führen, wodurch die Möglichkeit, nano‑fähige Geräte signifikant in der realen Welt einzusetzen, erheblich steigt und der 3D‑Druck marktfähig wird.

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