Wie die Universität Heidelberg mit BMF-Technologie forscht

Mit dem Mikro-3D-Druck Systemen von Boston Micro Fabrication (BMF) lassen sich Mikrofluidikanwendungen aus Verbundpolymeren oder Keramiken mit einer Auflösung von bis zu 2 µm fertigen – und damit Kanäle und Toleranzen realisieren, die mit keiner anderen 3D-Drucktechnologie erreichbar sind.

In Deutschland setzt unter anderem die Universität Heidelberg auf diese Technologie. Wie das IMSEAM-Institut damit forscht, welche Bauteile entstehen und warum BMF als einziger Anbieter die Anforderungen erfüllen konnte – darum geht es in diesem Beitrag.

Die Technologie: DLP-Mikrodruck mit bis zu 2 µm Auflösung

Das BMF-System basiert auf der Projektions-Mikrostereolithografie (PµSL) – einem Druckverfahren, das einen DLP-Motor, Präzisionsoptik und hochgenaue Bewegungssteuerung kombiniert. Eine vollständige Schicht wird in einem UV-Blitz belichtet – das führt zur schnellen Fotopolymerisation des gesamten Harzbereichs. Für schnellere Verarbeitung wird mit kontinuierlicher Belichtung gearbeitet.

Bauteile entstehen mit Detailgenauigkeiten, die bislang der Photolithografie vorbehalten waren – ohne Reinraum, ohne Mastermodell, ohne mehrstufigen Prozess.

Drei Auflösungsstufen

• 2 µm-Serie (microArch S230): Höchste Auflösung, Schichtdicke 5–20 µm. Für feinste Kanalstrukturen und nanofluidische Übergänge.
• 10 µm-Serie (microArch S140/S240): Bauraum 94 × 52 × 45 mm. Meistgenutzte Konfiguration für Mikrofluidik-Forschung.
• 25 µm-Serie (microArch S150/S350): Größtes Bauvolumen für mehrere Chips pro Druckjob.

Qualifizierte Materialien und offenes System

• BIO Resin / BMF MED: Biokompatibel für medizinische und biologische Anwendungen
• CLEAR Resin: Transparent für optische Detektionskammern und Flussvisualisierung
• HTL Resin / HT 200: Hochtemperaturstabil, chemisch resistent
• AL Ceramic: Keramisches Material für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen

Offenes Materialsystem: BMF erlaubt Drittanbieter-Materialien und umfangreiche Eingriffe in die Druckparameter. Forschungseinrichtungen können eigens entwickelte Materialien auf dem System qualifizieren.

Praxisbeispiel: Das IMSEAM-Institut der Universität Heidelberg

Die älteste Universität Deutschlands forscht mit modernster Drucktechnologie

Das 2022 gegründete Institut für Molekulares Systemengineering und Advanced Materials (IMSEAM) an der Universität Heidelberg (gegründet 1386, älteste Universität Deutschlands) entwickelt neue Materialien und Technologien auf molekularer Ebene – vom Molekül bis zur Funktion. Vier Forschungsgruppen und zwei Nachwuchsgruppen arbeiten an Materialentwicklung, organischer Elektronik, Umwelttechnik und Medizin.

Das IMSEAM betreibt drei Kerneinrichtungen: die IMSEAM Core Facility für Bauelement-Fabrikation und Charakterisierung, die Einrichtung für Charakterisierung weicher (Bio-)Materialien sowie die Microfluidics Core Facility (µFlu CF) unter Leitung von Dr. Sadaf Pashapour.

Die Core Facility unterstützt Forschungsgruppen der gesamten Universität – vom Projektdesign über die Chip-Herstellung bis zur Durchführung von Experimenten in Biosicherheitslaboren.

Warum herkömmliche Photolithografie nicht ausreichte

Die Einrichtung startete mit einem Maskless Aligner für 2D-Geometrien (1–200 µm Z-Höhe) sowie einem Interferenzprofilometer zur Höhenmessung von Strukturen im Bereich 1 µm bis 2–3 mm. Das Verfahren hat jedoch eine grundlegende Einschränkung: Es kann nur gerade Wände erzeugen.

Echte 3D-Geometrien – Kanäle in mehreren Ebenen, Kammern mit variablen Querschnitten, Hohlräume innerhalb von Bauteilen – sind damit nicht realisierbar. Das war der Auslöser für die Suche nach einem 3D-Drucker:

„Ergänzend zu diesem Verfahren, das nur gerade Wände erzeugen kann, wollten wir jedoch auch 3D-Geometrien herstellen.“

Warum BMF als einziger Anbieter überzeugte

Ein typisches Testbauteil wurde an vier bis fünf Anbieter gesendet. Die Anforderung war klar:

„Bei uns besteht die Herausforderung darin, enge Kanäle mit möglichst glatten Wänden zu drucken, damit es später keine Turbulenzen gibt.“

Nur BMF konnte das Musterteil einwandfrei fertigen. Die Entscheidung fiel auf den microArch S140 (10 µm) – aus Budgetgründen gegenüber dem 2-µm-Topmodell, aber mit beeindruckendem Ergebnis:

„Dieses unglaubliche Gerät bringt sehr gute Resultate.“

Nach der Installation: einwöchige Einführung mit vollständiger Erklärung der Systemtheorie, danach schnelle Unterstützung über einen Messenger-Kanal.

Rund-um-die-Uhr-Betrieb und internationale Kooperationen

Der microArch S140 läuft seit September 2023 rund um die Uhr. Dr. Pashapour bedient das System alleine, um Prioritäten gezielt vergeben zu können:

„Während der Drucker läuft, kann ich neue Projekte vorbereiten, Bauteile nachbearbeiten oder meinen anderen Aufgaben nachgehen.“

Rund 20 Forschende haben bereits Projekte bis zum fertigen Chip realisiert. Kooperationen bestehen mit der TU München, dem Leibniz-Institut in Saarbrücken und Partnern in Chile – die Einrichtung hat sich weit über den Campus hinaus als Anlaufstelle für Mikrofluidik-Forschung etabliert.

Die Bauteile: Was das System in der Praxis leistet

• Mikrowells: 80 µm Durchmesser und Tiefe, 20 µm Abstand – für das Einfangen von GUVs (Giant Unilamellar Vesicles)
• Organoiden-Kammern: 200 µm breite Kammern mit 100 µm Flusseingängen auf beiden Seiten
• Gitterstrukturen: 100 µm feine Gitter für zellinduzierte Deformationsstudien
• Hohle Würfel: 150 µm Hohlräume für Beschichtung mit Kohlenstoff-Nanoröhren zur zellulären Aktivierung in 3D

Besonders wertvoll: Drucken direkt auf ein Glassubstrat – für bessere optische Analyse. Für die mikrongenaue Ausrichtung der Glasplatte wünscht sich das Team Software-Unterstützung; aktuell wird eine Schieblehre genutzt.

Das Fazit: Der S140 erfüllt die Anforderungen an Genauigkeit und Präzision jedes Mal.

Ausblick: Elastische Materialien und der Weg zur 2-µm-Auflösung

Dr. Pashapour möchte künftig auch elastische Materialien einsetzen – etwa für eine synthetische Lunge als Organ-on-a-Chip. Ein erster Entwurf war zu komplex für den microArch S140:

„Das haben wir an den Support von BMF geschickt. Vielleicht lassen sich die 100-Mikrometer-Streben mit dem 2-µm-Drucker realisieren.“

Das zeigt einen zentralen strategischen Vorteil des BMF-Portfolios: Designs, die die Grenzen des 10-µm-Systems erreichen, können nahtlos auf das 2-µm-Topmodell skaliert werden – innerhalb derselben Systemfamilie, mit denselben Materialien und derselben Software.

Anwendungsfelder des BMF-Systems in der Mikrofluidik

Lab-on-Chip für Point-of-Care: Integrierte Mischkammern, Kapillarventile und Detektionskammern in einem monolithischen Bauteil – kein Bonding, kein Reinraum.

Organ-on-Chip: Perfundierte Gewebemodelle, Blut-Hirn-Schranken-Simulationen, Darm-on-Chip mit physiologisch relevantem Scherstress – und künftig elastische Lungen-Modelle.

Droplet Microfluidics: T-Junctions und Flow-Focusing-Einheiten für die Synthese synthetischer Zellen, Nanopartikel und Emulsionen.

Zellsortierung: Dean-Flow-Spiralen, hydrodynamische Fallen, Mikrowells für definiertes Zell-Seeding und Einzelzellanalyse.

Mikroreaktoren: Optimierte Wärmeübertragung, definierte Verweilzeiten, integrierte Mischzonen für die chemische Synthese.

Sensorintegration: Druckkammern, optische Detektionsfenster, elektrochemische Zellen als direkte Strukturbestandteile des Chips.

Der nächste Schritt: Mikro-3D-Druck bei AM Pioneers erleben

Sie möchten einen Mikro-3D-Drucker kaufen?

Melden Sie sich gerne bei uns. AM Pioneers ist autorisierter Partner von Boston Micro Fabrication in Deutschland und bietet zwei Zugangswege:

3D-Druck Dienstleistungen: Vom CAD-Modell bis zum fertigen Chip – mit Machbarkeitsanalyse und Materialberatung, ohne eigene Systeminvestition.

Systemkauf mit Einführung:Systemauswahl, Installation und Parametrierung – genau wie es das IMSEAM-Team aus Heidelberg erlebt hat.

Weiterführende Links:

Video zum Druckverfahren (YouTube)

Anwenderartikel Universität Heidelberg – IMSEAM (Deutsch)

Anwenderartikel Universität Heidelberg – IMSEAM (Englisch)

Für ein erstes Gespräch über Ihre Anforderungen: am-pioneers.com/bmf