Los láseres de las impresoras láser actuales para impresiones en papel son diminutos. En cambio, las impresoras láser 3D, que imprimen microestructuras y nanoestructuras tridimensionales, han necesitado hasta ahora sistemas láser grandes y caros. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y la Universidad de Heidelberg utilizan ahora un método diferente. La absorción en dos etapas funciona con diminutos diodos láser azules, que son baratos. Esto permite trabajar con impresoras mucho más pequeñas. Los investigadores informan de su trabajo en la revista Nature Photonics.(DOI: 10.1038/s41566-021-00906-8)
La impresión láser es actualmente el proceso de elección para la fabricación aditiva con impresión 3D, ya que ofrece la mejor resolución espacial de todos los procesos y, al mismo tiempo, una velocidad de impresión extremadamente alta. En la impresión láser, se dirige un rayo láser focalizado a un líquido fotosensible. En el punto focal, la luz láser acciona un interruptor en unas moléculas especiales que desencadenan una reacción química. Esto provoca la solidificación localizada del material. Desplazando el punto focal se puede producir cualquier microestructura o nanoestructura. La reacción química se produce por la llamada absorción bifotónica, es decir, dos partículas de luz (fotones) excitan simultáneamente la molécula, lo que provoca el cambio químico deseado. Sin embargo, esta excitación simultánea es extremadamente rara, por lo que hay que utilizar complejos sistemas de láser pulsado, lo que a su vez se traduce en mayores dimensiones para la impresora láser.
Impresoras 3D más compactas gracias al proceso en dos fases
En cambio, con el llamado proceso de dos etapas es posible obtener impresoras más pequeñas y compactas. En este proceso, el primer fotón pone la molécula en un estado intermedio. En la segunda etapa, un segundo fotón lleva la molécula del estado intermedio al estado final deseado y comienza la reacción química. La ventaja: no es necesario que esto ocurra simultáneamente, como ocurre con la absorción bifotónica. "Por eso el proceso funciona con diodos láser de onda continua compactos y de baja potencia", explica Vincent Hahn, primer autor de la publicación, del Instituto de Física Aplicada (APH) del KIT. La potencia láser necesaria para ello es incluso considerablemente inferior a la de los punteros láser disponibles en el mercado. Sin embargo, para este proceso de impresión deben utilizarse fotorresistencias específicas. "El desarrollo de estos fotorresistentes llevó varios años y sólo fue posible gracias a la colaboración con químicos", explica el profesor Martin Wegener, del APH.
No sólo más sencillo, sino incluso mejor
"En la publicación demostramos que la idea funciona, e incluso mejor que la absorción de dos fotones utilizada anteriormente", afirma Hahn. Para Wegener, la ventaja en la aplicación es obvia: "Hay una diferencia considerable entre necesitar un láser de femtosegundo del tamaño de una caja por varias decenas de miles de euros o un láser semiconductor del tamaño de una cabeza de alfiler por menos de diez euros". El siguiente paso es miniaturizar los demás componentes de la nanoimpresora láser 3D. Un dispositivo del tamaño de una caja de zapatos me parece bastante realista en los próximos años. Sería incluso más pequeño que la impresora láser que tengo en mi mesa del KIT". Esto significa que, de repente, las nanoimpresoras láser 3D podrían ser asequibles para muchos colectivos. Los expertos ya hablan de la democratización de la tecnología de impresión 3D.
Además de los investigadores del KIT, también han participado en la publicación científicos de la Universidad de Heidelberg. La publicación forma parte del clúster de excelencia "3D Matter Made to Order" del KIT y la Universidad de Heidelberg.
Grupo de excelencia "Materia 3D hecha a medida".
En el Clúster de Excelencia 3D Matter Made to Order (3DMM2O), científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y de la Universidad de Heidelberg llevan a cabo investigaciones interdisciplinarias sobre tecnologías y materiales innovadores para procesos de fabricación aditiva digitales y escalables, con el fin de que la impresión 3D sea más precisa, rápida y eficiente. El objetivo es digitalizar por completo la fabricación 3D y el procesamiento de materiales desde la molécula hasta la macroestructura. Además de la financiación como Cluster de Excelencia dentro de la Estrategia de Excelencia de los gobiernos federal y estatales alemanes, 3DMM2O también está financiado por la Fundación Carl Zeiss.
