3D-Druck und Nanotechnologie sind zwei Forschungs- und Innovationsbereiche, die auf den ersten Blick weit auseinanderzuliegen scheinen. Der 3D-Druck befasst sich damit, ausgehend von einem digitalen Modell physische Objekte zu erzeugen, indem Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und so dreidimensionale Bauteile unterschiedlicher Form und Größe entstehen. Die Nanotechnologie hingegen erforscht die Welt des Unendlich Kleinen und manipuliert Materialien und Strukturen im Bereich von Nanometern (ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter). In den letzten Jahren ist jedoch zunehmend deutlich geworden, wie diese beiden Disziplinen in neuen und außergewöhnlichen Anwendungen zusammenfinden und überraschende Perspektiven in Bereichen wie Medizin, Elektronik und Materialwissenschaften eröffnen können. In diesem weiterführenden Artikel betrachten wir, wie sich 3D-Druck und Nanotechnologie überschneiden, welche wichtigen Entwicklungen derzeit stattfinden und welche zukünftigen Auswirkungen sich für Wissenschaft und Industrie ergeben könnten.
Beim 3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, handelt es sich um eine Reihe von Technologien, mit denen physische Objekte durch schichtweises Auftragen (oder Verfestigen) von Material hergestellt werden. Zu den gängigsten Techniken zählen:
Hauptziel des 3D-Drucks ist es, Prototypen, funktionale Bauteile oder Designobjekte in relativ kurzer Zeit und zu wettbewerbsfähigen Kosten herzustellen, im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren (z. B. Spritzguss oder CNC-Fräsen). Ein revolutionäres Merkmal ist die Designfreiheit: Es sind extrem komplexe Geometrien umsetzbar, die mit subtraktiven Methoden nur schwer oder gar nicht zu realisieren wären.
Die Nanotechnologie, wie der Name schon sagt, bewegt sich in einem Größenbereich zwischen 1 und 100 Nanometern. Die Manipulation von Materialien auf atomarer oder molekularer Ebene ermöglicht es, Phänomene und Eigenschaften zu nutzen, die bei größeren Dimensionen nicht auftreten. Zum Beispiel:
Die Nanotechnologie findet in vielen Bereichen Anwendung: von der Medizin (gezielte Wirkstoffabgabe) über die Elektronik (Speicher, Sensoren) und Energie (effizientere Solarzellen) bis hin zur Herstellung leichter und extrem widerstandsfähiger Materialien für die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie.
Wenn von der Verschmelzung von 3D-Druck und Nanotechnologie die Rede ist, geht es nicht nur um die Miniaturisierung additiver Fertigungsverfahren (die tatsächlich existiert und sich im Grenzbereich zwischen Mikro- und Nanofabrikation bewegt). Vielmehr steht die Einbindung „nano-optimierter“ Materialien in den 3D-Druck im Fokus. Mit anderen Worten: die Möglichkeit, Polymere, Harze oder Metalle mit Nanopartikeln anzureichern, um deren mechanische, thermische oder elektrische Eigenschaften zu verbessern.
Einer der aktivsten Forschungsbereiche ist die Entwicklung von Nanoverbundwerkstoffen: hybriden Materialien, bestehend aus einer Matrix (Polymer, Metall oder Keramik) und einer nanoskaligen Verstärkung (beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Nanocellulosefasern oder Metallnanopulver). Werden diese Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt und richtig in die Matrix eingebunden, können sie die Festigkeit, Härte und thermische Stabilität des gedruckten Materials erheblich steigern.
So gibt es etwa für das FDM-Verfahren Filamente, die mit Mikro- oder Kohlenstoffnanoröhren angereichert sind, um leichtere und gleichzeitig steifere Bauteile herzustellen. Für MSLA und DLP stehen photopolymerisierbare Harze mit keramischen oder metallischen Nanopartikeln zur Verfügung, die eine höhere Robustheit oder Hitzebeständigkeit ermöglichen. Bei Pulvern für SLS oder die Lasersinterung von Metallen werden Legierungen mit Nanopartikeln aus Siliziumkarbid, Titan oder Aluminium erforscht, um besonders leistungsstarke Werkstoffe zu erzeugen.
Ein weiterer aufstrebender Bereich ist die „Nanostrukturierung“ von Oberflächen gedruckter Objekte, das heißt das Erzeugen von Mustern im Nanomaßstab, die die Eigenschaften der Oberfläche verändern – etwa Hydrophobie, Haftung, Lichtreflexion, Verschleißfestigkeit oder elektrische Leitfähigkeit. Dies kann durch Nachbearbeitungstechniken (z. B. den Einsatz von Plasma oder chemisches Ätzen) oder durch die Einbindung lithografischer Prozesse und nanometerdünner Schichten während oder unmittelbar nach dem 3D-Druck erfolgen.
Man könnte sich zum Beispiel vorstellen, eine maßgeschneiderte Titan-Prothese zu drucken und deren Oberfläche mit einem dünnen bioaktiven Film zu beschichten, eventuell angereichert mit Silbernanopartikeln (antibakterielle Wirkung) oder Hydroxylapatit (fördert die Knochenintegration). Auf diese Weise ließen sich die Infektionsrisiken drastisch senken und der Heilungsprozess des Knochengewebes beschleunigen.
Ein noch spezialisierteres Feld ist der 3D-Mikrodruck (mitunter „3D-Mikrofabrikation“ oder „Direct Laser Writing“ genannt), bei dem fortgeschrittene optische Verfahren (wie die Zweiphotonen-Polymerisation) eingesetzt werden, um dreidimensionale Strukturen mit Auflösungen im Mikrometerbereich oder sogar darunter zu erzeugen. Obwohl hier von „Mikromaßstab“ die Rede ist, bewegt man sich bereits in Bereichen, in denen sich Dimensionen bis in den Nanobereich erstrecken, was die Herstellung winziger optischer, mechanischer oder elektronischer Komponenten ermöglicht. Beispiele hierfür sind Linsen für die Hochleistungsmikroskopie, „Lab-on-a-Chip“-Systeme für chemische und biologische Analysen, Mikro-Zahnräder oder komplexe Kanalsysteme für die Mikrofluidik.
In diesem Bereich ist die Nanotechnologie besonders vielversprechend: Die erstellten Strukturen können im Nachhinein durch Beschichtungen oder Nanopartikel funktionalisiert werden, sodass hybride Geräte entstehen, die die Präzision des additiven Mikro-Fertigungsverfahrens mit den speziellen Eigenschaften des Nanomaßstabs verbinden. Das Ergebnis könnte zum Beispiel ein in 3D gedrucktes „Lab-on-a-Chip“ sein, dessen mikrometergroße Kanäle von innen mit nanostrukturierten Sensoren beschichtet sind, die Biomarker mit höchster Empfindlichkeit erkennen.
Wichtige anwendungen
Nanotechnologien haben die Elektronik bereits grundlegend verändert: Sie ermöglichten kleinere Transistoren, dichtere Speicher und immer ausgefeiltere Wearables. Die Integration mit dem 3D-Druck eröffnet nun die Möglichkeit, in industriellem Maßstab oder sogar in lokalen Labors dreidimensionale Schaltkreise und kundenspezifische Sensoren herzustellen. Man spricht hierbei von „gedruckter Elektronik“ bzw. „3D-gedruckter Elektronik“, bei der Funktionskomponenten Schicht für Schicht mithilfe von leitfähigen Nano-Tinten (zum Beispiel mit Silber- oder Kupfernanopartikeln) und dielektrischen Polymeren hergestellt werden.
Diese Technik, kombiniert mit der typischen Designfreiheit des 3D-Drucks, ermöglicht die Fertigung nichtplanarer Schaltkreise. Damit eröffnen sich Wege zu einer neuen Generation tragbarer oder implantierbarer Geräte sowie zu komplexen Sensoren, die in Alltagsgegenstände (von der Automobilindustrie bis zum Smart Home) integriert werden können.
Im Bereich erneuerbarer Energiequellen kann die Kombination von 3D-Druck und Nanotechnologie erhebliche Fortschritte bei der Herstellung von Batterien, Superkondensatoren und Solarzellen bringen. Beispiele dafür sind:
Trotz der vielversprechenden Perspektiven gibt es bei der Integration von 3D-Druck und Nanotechnologie einige Hürden:
Es ist wahrscheinlich, dass das Interesse an der Synergie zwischen 3D-Druck und Nanotechnologie weiter zunehmen wird. Andere vielversprechende Forschungsfelder umfassen:
3D-Druck und Nanotechnologie bilden ein kraftvolles Gespann für die Zukunft der Fertigung, der Medizin, der Elektronik und vieler weiterer Bereiche. Während der 3D-Druck nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung bietet, ermöglicht die Nanotechnologie die gezielte Veränderung grundlegender Materialeigenschaften und die Schaffung leistungsstarker Strukturen im Nanomaßstab. Aus dieser Kombination gehen leichtere und robustere Nanokomposite, Oberflächen mit erweiterten Funktionen (Hydrophobie, antibakterielle Wirkung, Leitfähigkeit) und im Mikro- oder Nanomaßstab gedruckte Geräte hervor, die die regenerative Medizin, die Unterhaltungselektronik und selbst die Raumfahrt revolutionieren könnten.
Zweifellos hat die Synergie zwischen 3D-Druck und Nanotechnologie bereits einen Paradigmenwechsel eingeleitet. In den letzten Jahren folgten zahlreiche Entdeckungen und Innovationen aufeinander, von denen viele bereits konkrete Anwendungen in den Bereichen Biomedizin, Luft- und Raumfahrt sowie Energie finden.
Die künftige Entwicklung verspricht eine Welt, in der die Grenzen zwischen Makro und Nano verschwimmen und in der wir „intelligente“, anpassungsfähige und multisensorische Objekte drucken können, hergestellt aus Materialien, die bisher undenkbar waren. Dies ist ein weitgehend unerforschtes Terrain voller Möglichkeiten und Versprechen – ein Feld, in dem Wissenschaft und Industrie gemeinsam wirken müssen, um eine neue Generation von Technologien, Produkten und Dienstleistungen zu gestalten.