Ein Miniaturzahnrad gedruckt per 3D-Laser an der uni Jena
Bildrechte: MDR/LexiTV

Friedrich-Schiller-Universität Jena 3D-Laserdruck für Zahnersatz und Häuser auf dem Mars

Viele Wissenschaftsstandorte haben eine lange Tradition. Zu der gehört in Jena ganz klar die Optik, die eng mit dem Namen Carl Zeiss verbunden ist. Optik ist ein Teil der Naturwissenschaft von der Physik, in der hier modernste Forschung betrieben wird, unter anderem rund um die Lasertechnik. Für die Physiker der Friedrich-Schiller-Universität sind die Laser wichtige Werkzeuge. "LexiTV extra" (13.12. 15.00 Uhr) hat die Forscher besucht.

Ein Miniaturzahnrad gedruckt per 3D-Laser an der uni Jena
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Ganz neu sind die riesigen 3D-Laserdrucker, mit denen Gabor Matthäus am Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität arbeitet, nicht. Sie werden seit einigen Jahren nach und nach in der Industriefertigung genutzt. Doch was der Jenaer Forscher mit ihnen vor hat, ist echte Zukunftsmusik. Denn Gabor Matthäus möchte seine 3D-Laserdrucker gern irgendwann einmal ins All schicken, um auf dem Mars Häuser zu bauen. Denn wenn einmal Menschen auf dem Mars leben sollten, bräuchten die auch eine Infrastruktur, sagt Matthäus.

Man kann ja nicht einfach Zement und Mörtel dahin schaffen und dann irgendwelche Wände hochziehen und Gebäude errichten, sondern man muss mit den Materialien arbeiten, die dort existieren. Und da ist dann auch die Idee, man nimmt solche Maschinen, nimmt das Ausgangsmaterial dort, den Stein, macht ihn zu Pulver und verschweißt ihn und baut daraus Bauteile, um zum Schluss ganze Gebäude errichten zu können.

Dr. Gabor Matthäus, Institut für Angewandte Physik der Uni Jena

Mit den 3D-Laserdruckern, die es derzeit zu kaufen gibt, wird das allerdings noch nichts. Deshalb forschen die Jenaer Physiker an besonderen, deutlich leistungsstärkeren Lasern. Die sogenannten Ultrakurzpulslaser können Lichtenergie stark verdichtet in extrem kurzen Stößen auf eine Oberfläche abfeuern. Sie machen damit eine Generation von 3D-Druckern möglich, die viel mehr Stoffe verarbeiten können soll als bisher.

Das bedeutet, dass sich mithilfe der neuen Laserdruck-Verfahren auch sehr komplexe, feingliedrige Strukturen herstellen lassen. Denn trifft ein gewöhnlicher Laserstrahl etwa auf Kupferpulver mit einer mittleren Korngröße von circa fünf Mikrometern, erhitzt und schmilzt nicht nur die belichtete Stelle, sondern auch alles drum herum. Der neue Laser soll das Pulver nicht kontinuierlich, sondern nur mit extrem kurzen Lichtimpulsen bestrahlen. Dadurch erwärmen sich die Ränder der belichteten Stelle nicht, sodass die umliegenden Bereiche nicht schmelzen. Das ermöglicht deutlich filigraneres Arbeiten als bisher. In Zukunft könnte so ein Gerät z.B. in Zahnarztpraxen stehen und Zahnimplantate sofort ausdrucken, wenn sie benötigt werden, erklärt Matthäus.

Und dieser Ultrakurzpulslaser hat noch mehr Vorteile. Er kann sogar transparente Stoffe wie Glas bearbeiten - was bisher nicht möglich war, da ein normaler Laser einfach durch das Glas durchgeht, ohne seine Energie übertragen zu können. Der Trick: Ein Ultrakurzpulslaser komprimiert den Beschuss mit Photonen, also Lichtteilchen, zeitlich und räumlich so stark, dass sie auch die Elektronen transparenter Stoffe treffen und dazu zwingen, ihre Bahn zu verändern. Das funktioniert auch bei Stoffen, deren Verarbeitung extrem hohe Temperaturen erfordert - wie beispielsweise Wolfram. Denn das hat einen extrem hohen Schmelzpunkt, erklärt Matthäus. "Das bedeutet, wenn man andere Lasersysteme nimmt, müssten die im Kilowattbereich arbeiten, damit das Material überhaupt aufgeschmolzen wird. Und wir schaffen das mit 20 Watt." Damit würden sich völlig neue Möglichkeiten eröffen, das besonders korrosionsbeständige Metall in der Chemie oder Medizin einzusetzen. Das geht bisher nicht, weil es sich so schwer verarbeiten läst.

Der neuartige 3D-Laserdrucker ist bisher ein Prototyp. Dementsprechend ist der Druck sehr aufwändig, denn jeder Arbeitsschritt erfordert eine Menge Handarbeit. Doch die Laserforscher von der Universität Jena hoffen, dass er die Technik in ein bis zwei Jahren regelrecht revolutionieren wird.

3D-Laserdruck oder Selektives Laserschmelzen Beim 3D-Laserdruck oder dem selektiven Laserschmelzen wird Pulver mithilfe eines Lasers schichtweise zu einer festen Struktur verschweißt. Dort wo der Laserstrahl hintrifft, verschmelzen die feinen Pulverkörnchen mit der darunter liegenden Materialschicht. Nach und nach entstehen so hochkomplexe Bauteile - auch solche, die man mit konventionellen Methoden niemals hinbekommen würde.

Zuletzt aktualisiert: 15. September 2017, 11:18 Uhr