Je leest:

Een 3D-printer voor iedereen

Een 3D-printer voor iedereen

Auteur: | 14 mei 2010

Dr. Yves Bellouard van de Eindhovense vakgroep Werktuigbouwkunde heeft een droom: een 3D-laserprinter waarmee je microstructuren kunt printen in glas. Met deze ‘femtoprinter’ is de fabricage van microstructuren niet langer voorbehouden aan grote bedrijven. De Fransman staat aan het hoofd van een Europees project dat deze bijzondere printer moet realiseren.

Een microscopisch tandwiel. Microsystemen (MEMS) zijn minuscule machientjes die je nauwelijks met het blote oog kunt zien. Ze bevatten vaak zowel mechanische als elektrische onderdelen en worden gebruikt om signalen te meten, of om onderdelen aan te drijven.

In steeds meer apparaten zijn microsystemen te vinden. Je kunt denken aan versnellingsmetertjes die tegenwoordig in de meeste laptops zijn ingebouwd: de apparaatjes merken het als je laptop valt en zorgen ervoor dat de harddisk zich op een schok voorbereidt. Zo wordt dataverlies voorkomen. Een ander bekend microsysteem is de lab-on-a-chip, waarmee je een druppel bloed, urine of speeksel kunt testen op ziekteverwekkers of drugs.

Kleine apparaatjes, grote bedrijven

Het klinkt paradoxaal, maar om de kleine microsystemen in grote hoeveelheden te maken, heb je in het algemeen grote, dure en energieslurpende machines nodig, vergelijkbaar met de lithografiemachines voor de computerchipindustrie. Bovendien is een speciale cleanroom vereist, zelfs als je maar enkele van deze microapparaatjes wilt maken.

Dr. Yves Bellouard

Dat is volgens dr. Yves Bellouard een van de redenen waarom de ontwikkeling van microsystemen relatief langzaam gaat: alleen grote bedrijven hebben hiervoor de middelen. Daarbij komt nog dat een investering pas rendabel wordt als de markt behoefte heeft aan grote hoeveelheden van deze microsystemen. Kleine, innovatieve bedrijfjes en te specialistische toepassingen maken dus nauwelijks kans.

Dat moet anders kunnen, denkt Bellouard. De Fransman is universitair docent in de sectie Micro- and Nanoscale Engineering van de faculteit Werktuigbouwkunde en gebruikt daar zogeheten femtoseconde-lasers om in glas driedimensionale patronen aan te brengen (zie kader).

De eigenschappen van het glas veranderen in de gebieden die aan het laserlicht worden blootgesteld- afhankelijk van de intensiteit van het laserlicht. Zo kan de brekingsindex van het materiaal, een belangrijke optische eigenschap, worden aangepast. Het uitgekozen patroon wordt hierdoor een soort wegennet voor de geleiding van licht. Toepassing hiervan is denkbaar in optische computerchips, maar ook in optische bewegingssensoren.

De femtoprinter

De femtoprinter maakt gebruik van een femtoseconde-laser: een laser die lichtpulsjes van enkele honderden femtoseconden uitzendt (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde). In deze korte tijdspanne komt het totale vermogen vrij dat in de laser wordt gestopt. Het resultaat is een gigantisch piekvermogen, terwijl het gemiddelde vermogen niet groter is dan dat van een flinke ledlamp.

Alleen in het focuspunt van de laser waar de lichtstralen bij elkaar komen is het vermogen zo hoog dat het iets met het glas doet: op de weg hierheen gaat het licht zonder problemen door het transparante glas. Op die manier kan de laser structuren ‘branden’ in het inwendige van het glas, met details van minder dan een micrometer in doorsnede.

Behalve de optische eigenschappen, kun je met het laserlicht ook de chemische eigenschappen van het glas beïnvloeden, en dan met name de gevoeligheid voor zuren. Het aangebrachte driedimensionale patroon kan dan eenvoudig in een keer worden weggeëtst, terwijl de patronen met conventionele methodes nog laag voor laag wordt opgebouwd. En omdat het patroon in het inwendige van het glas wordt aangebracht, is er geen contact met de lucht. Een cleanroom is daarom niet nodig. Bellouard en zijn collega’s hebben al bewezen dat je met deze methode de basis voor een lab-on-a-chip kunt maken.

Schoenendoos

De structuren worden met de femtoseconde-laser als het ware in het glas geprint: het is dus feitelijk een 3D-laserprinter. Het bestaat nu alleen nog maar in het lab, maar de ambitie van Bellouard is om binnen vijf jaar een femtoseconde-laserprinter te ontwikkelen waarmee je willekeurige structuren kunt aanbrengen in glasplaten met een dikte tot twee millimeter en ter grootte van een A4.

“Met een betaalbare femtoprinter kunnen laboratoria en kleine bedrijven zelf de microsystemen maken en testen. Dat zou de ontwikkeling van microsystemen een enorme duw in de rug geven.” Een nieuw Europees project, Femtoprint, moet deze droom werkelijkheid maken. Bellouard is de coördinator van dit project, dat deze maand van start gaat.

Driedimensionaal printen op macroschaal is al mogelijk. Dit soort printers worden bijvoorbeeld door architecten gebruikt om hun maquettes uit te printen, of uitvinders om prototypes van hun creaties te tonen.

Een voornaam doel van Femtoprint is om de benodigde laser, die nu nog een laboratoriumtafel in beslag neemt, terug te brengen tot het formaat van een schoenendoos. De Franse laserfabrikant Amplitude Systèmes wordt verantwoordelijk voor dit deel van het project. Daarnaast zijn nog een aantal Franse, Zwitserse, Duitse en Engelse partners betrokken. De groep van Bellouard zal zich voornamelijk bezighouden met onderzoek naar de effecten van het laserlicht op ‘fused silica’, het hoogwaardige glas dat voor de microsystemen wordt gebruikt.

Fused silica heeft uitstekende eigenschappen voor gebruik in microsystemen, vertelt Bellouard. “Dat zou je niet verwachten, glas wordt gezien als heel breekbaar. Maar dat komt door onregelmatigheden in het glas. Zuiver glas, zoals fused silica, is bestand tegen vrijwel alle chemicaliën en is ook heel sterk: meer dan tweemaal zo sterk als hoogwaardig staal. Het is ook heel flexibel, zodat je het prima kunt gebruiken in bewegende onderdelen, bijvoorbeeld om vloeistoffen door een lab-on-a-chip te stuwen.”

Lees meer over 3D printers en lasers op Kennislink

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/laser/3d printer/index.atom?m=of", “max”=>"5", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van Cursor.
© Cursor, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 mei 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.