From nanoscale to macroscale : Characterization, upscaling, and applications of Two-Photon polymerisation 3D-printing

Abstract

Two-Photon polymerization (2PP) is a high-resolution 3D-printing technique with a rapidly growing field of applications. It is based on the simultaneous absorption of two photons (2PA) by a molecule that, upon relaxation, creates radicals that induce polymerization. The probability of 2PA occurring is very low, and it only appears in a confined area around the focus of a pulsed high-power laser. Taking advantage of this effect, 3D structures with a nunrivaled spatial resolution can be built by moving the laser focus through a photoreactivematerial. Initially, this process was quite time-consuming, but recent advances allowed upscaling of the fabrication process providing high-throughput and increased structure sizes.2PP 3D-printing covers now up to four dimensional scales reaching from the nanoscale to the macroscale.This thesis presents a comprehensive study on the characterization, upscaling, and application of 2PP 3D-printing. With increased writing speeds, efficient photoinitiators (PI), the photoreactive component in the processed material, are needed. Characterizing their 2PA potential and sensitivity is crucial to identifying components suitable for 2PP. In this work,various PIs were characterized using different techniques. Further, the characterization of the mechanical properties of produced structures is of interest. Standardized tensile testswere performed utilizing the design for the smallest ISO Norm for 2PP fabrication. The test procedure was downscaled, and mesoscale samples were analyzed. Upscaling 2PP poses new challenges regarding the fabrication process, the structure quality, and the processed material. A method for improving the alignment of the structuring plane was established and verified, improving the quality of fabricated structures. Material formulations that included thiols were investigated to increase the toughness of produced structures. . Many interesting areas of application of 2PP 3D-printing have been reported. In this work, two cases of application are presented and investigated. Microgrippers were developed as a partof a machine to perform tensile tests with nanofibers, providing high throughput and easy handling. Further, Calibration bodies based on high-aspect microchannels for magneticresonance imaging were developed and tested. A proof-of-principle study showed that the calibration bodies could be used as ground-truth objects, allowing it to test and verify MRIdata analysis algorithms in the future.

Die Zwei-Photon Polymerisation (2PP) ist eine hochauflösende 3D-Druck Technologie mit schnell wachsenden Anwendungsgebieten. 2PP basiert auf Zwei-Photon Absorption (2PA), dabei werden zwei Photonen zeitgleich von einem Molekül absorbiert. Das Moleküle kann dann aus dem angeregten Zustand heraus Radikale bilden, die in der Lage sind in einer Monomer-Matrix Polymerisation einzuleiten. Da die Wahrscheinlichkeit, dass 2PA auftritt sehr gering ist braucht es hohe Photonendichten. Diese können nur im Fokus eines gepulsten Hochleistungslasers erreicht werden. 2PP basiert auf diesem Phänomen, und hochauflösende3D-Strukturen können erstellt werden indem der Laserfokus mit hoher Präzision dreidimensional durch ein photoreaktives Material bewegt wird. Ursprünglich war dieser Prozess sehr zeitaufwändig, jedoch ermöglichen die jüngsten Fortschritte eine Hochskalierung des Herstellungsprozesses mit hohem Durchsatz und größeren Strukturgrößen. 2PP 3D-Druckdeckt nun bis zu vier Größenskalen ab, die von der Nanoskala bis zur Makroskala reichen.Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie zur Charakterisierung, Hochskalierung und Anwendung des 2PP 3D-Drucks. Bei erhöhten Schreibgeschwindigkeiten werden effiziente Photoinitiatoren (PI), die photoreaktive Komponente im verarbeiteten Material,benötigt. Die Charakterisierung ihres 2PA-Potenzials und ihrer Effizienz ist entscheidend,um Komponenten zu identifizieren, die für 2PP geeignet sind. Dafür wurden verschiedene PIs mit unterschiedlichen Techniken charakterisiert. Des Weiteren sind die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile von Interesse. Unter Verwendung des Designs für die kleinste ISO-Norm für die 2PP-Fertigung wurden standardisierte Zugversuche durchgeführt. Außerdem wurde das Testverfahren herunterskaliert um kleinere Probencharakterisieren zu können.Die Hochskalierung von 2PP stellt neue Herausforderungen an den Herstellungsprozess,die Strukturqualität und das verarbeitete Material. Ein Verfahren zur Verbesserung der Ausrichtung der Strukturierungsebene wurde etabliert und verifiziert, wodurch die Qualität der hergestellten Bauteile verbessert werden kann. Um die mechanischen Eigenschaftender hergestellten Strukturen zu verbessern, wurden Materialformulierungen, basierend auf Thiolen, untersucht. Es gibt eine Vielzahl an interessanten Anwendungsbereichen für den 2PP basierten3D-Druck. In dieser Arbeit werden zwei Anwendungsfälle vorgestellt und erforscht. Mikrogripperwurden entwickelt, als Teil einer Maschine zur Durchführung von Zugversuchen mit Nanofasern. Die neu entwickelte Maschine bietet einen hohen Durchsatz und eineeinfache Handhabung im Vergleich zu bisher etablierten Methoden. Ferner wurden Kalibrierkörper für die Magnetresonanzbildgebung entwickelt. Die Kalibrierkörper basieren auf Mikrokanälen mit hohen Aspekt Verhaltnissen. Eine Proof-of-Principle-Studie zeigt, dass die Kalibrierkörper als Ground-Truth-Objekte verwendet werden können um in Zukunft Analysealgorithmen zu testen und zu verifizieren.