Investigation of multi-photon processing parameters for laboratory and industrial applications

Abstract

Die 2-Photonen Polymerisation (2PP) als additives Fertigungsverfahren stellt eine Möglichkeit dar, 3D-Strukturen mit Auflösungen von wenigen hundert Nanometern herzustellen. Diese Technologie beruht auf der 2-Photonen Absorption, die durch den Einsatz von sehr kurz gepulsten Laserstrahlen Radikale erzeugt. Diese Radikale leiten wiederum eine lokale Polymerisation ein, die zur Erzeugung von 3D-Strukturen führt. Die damit realisierbaren Auflösungen und die für dieses Verfahren verfügbaren Materialen ermöglichen ein breites Spektrum an Anwendungen wie in der Photonik, biomedizinischen Technik oder Mikro-Fluidik. Auf Grund des sehr zeitintensiven Fertigungsprozesses beschränkt sich der Einsatz dieser Technologie jedoch weitestgehend auf Laboratorien. Um nun diese Technologie auch für industrielle Anwendungen interessanter zu gestalten ist es notwendig, die Prozessdauer zu reduzieren, jedoch den großen Vorteil der hohen Auflösung so weit als möglich beizubehalten. Um grundlegende Informationen für Auflösungen im Bereich der 2-Photonen Polymerisation zu erhalten, wird im Zuge dieser Diplomarbeit die größtmögliche Auflösung des 2PP-Prozesses in Abhängigkeit der Ge-schwindigkeit und der eingesetzten Leistung an einem typischen Material für biomedizinische Technik untersucht. Die somit gewonnenen Daten sollen in weiterer Folge in einer industrienahen Anwendung im Auftrag der Firma Koniku® umgesetzt und verifiziert werden. Auf Grund der kombinierten Anforderungen an extrem kleine Strukturen und einer hohen Strukturdichte werden sowohl ein hoher Detailgrad als auch eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit gefordert. Als abschließender Teil sollen erste Zellversuche mit den generierten Strukturen durchgeführt werden, um Rückschlüsse auf Reaktionen und Interaktionen zwischen biologischen Zellen und Strukturen zu erhalten.

The 2-photon polymerization (2PP) is one type of additive manufacturing process to produce 3D-structures with resolutions of a few hundred nanometres. This technology depends on the 2-photon absorption where ultra-short laser pulses can be used to generate radicals and therefore to produce 3D-structures by a local polymerization. Due to the possibility of high resolution and the availability of many different materials this technology is used in a lot of different fields like photonic, biomedical engineering or microfluidic. Nevertheless, these applications are most often only used in laboratories due to the low throughput of the technology. To implement this technology in the industry too, a compromise between final resolution and writing speed has to be found. Therefore, it is important to investigate the highest resolution depending on the writing speed and how far the resolution will be reduced by reaching higher velocities. In a first step this master thesis will investigate the maximal available resolution of a 2PP-process in dependence of the writing speed and the used power for one material frequently used in tissue engineering. This will be achieved by analyzing a simplified 3D-printed model to evaluate the resolution beginning at lower velocities up to industrially relevant ones. The extracted knowledge will be used in an industrial application in a second step on behalf of a company called Koniku®. Therefore, high-resolution defined structures should be printed in a time optimized way in the best available quality. Due to the dimensions of the structures a very high resolution is necessary to realize them. In the final step experiments with biological cells will show the interaction between 3D-printed structures and the cells itself.