Funktionale Tinten für den Inkjet-Druck

Der Inkjet-Druck ist eine hochattraktive Technik, deren Leistungsfähigkeit über den Farbdruck hinaus auch zunehmend für den Druck funktionaler Strukturen genutzt wird. So können mittlerweile beispielsweise elektronische Leiterplatten mittels Drucktechnik hergestellt werden. Auch das Rapid Prototyping bedient sich des Inkjet-Drucks, um schichtweise beliebig komplexe Objekte aufzubauen, die entweder als Modelle oder auch als fertige Bauteile, zum Beispiel im Leichtbau, eingesetzt werden. Für diese Anwendungen werden dementsprechend zunehmend Tinten mit unterschiedlichsten Eigenschaften verarbeitet.

Leistungsspektrum

Formulierung von Inkjet-Tinten auf wässriger oder Lösemittel-Basis
Biofunktionale Tinten
Nano- und mikropartikelhaltige Tinten
UV-vernetzbare Tinten
Leitfähige und Halbleiter-Tinten
Druck hochaufgelöster Strukturen

Tintenformulierungen für die Verarbeitung vielfältiger Funktionskomponenten

Austauschbare Einweg-Kartusche im Druckwerk des Hochpräzisionsdruckers Dimatix 3000.

Am Fraunhofer IGB werden Tintenformulierungen für die Verarbeitung vielfältiger Funktionskomponenten entwickelt. Insbesondere stellen wir biofunktionale Tinten her, um beispielsweise Biomoleküle zum Beispiel für die Herstellung von Sensoren oder medizinischen Assays für die schnelle und automatisierte Verarbeitung verfügbar zu machen. Eine weitere vielfältig anpassbare Funktionskomponente sind Nanopartikel, die je nach ihrer chemischen Beschaffenheit unterschiedliche Eigenschaften wie elektrische Ladung, Leitfähigkeit, Farbe oder Fluoreszenz in eine Tinte einbringen. Je nach Anforderung stellen wir wässrige oder lösemittelbasierte Tinten her. Notwendige Additive zur Einstellung der rheologischen Eigenschaften der Tinten passen wir den Eigenschaften der Funktionskomponenten an. Für den Druck hochpräziser, flächiger Strukturelemente steht ein modernster Hochpräzisionsdrucker, der Dimatix Material Printer-3000 (FUJIFILM Dimatix, USA), zur Verfügung.

Gedruckte Nanopartikel auf einer Glasoberfläche.

Nanopartikelhaltige Tinten

Nanopartikel besitzen das Potenzial, eine Vielzahl von Funktionen transportieren zu können: Sowohl die Eigenschaften der Partikelschale wie beispielsweise die Ausstattung mit bestimmten chemischen Gruppen als auch die Beladung des Partikelkerns mit Farbstoffen oder aktiven Komponenten, welche nach dem Druck zum Beispiel in Kontakt mit Wasser freigegeben werden, können zur systematischen Gestaltung von Materialeigenschaften beitragen. Zur gezielten und strukturierten Applikation von Suspensionen aus funktionalen Nanopartikeln werden am Fraunhofer IGB Inkjet-taugliche Formulierungen erarbeitet. Für die Beschichtung von Oberflächen mit elektrisch geladenen Nanopartikeln haben wir beispielsweise eine auswaschbare, wasserbasierte Tinte entwickelt. Glasträger, die mit einer Schicht aus positiv geladenen Nanopartikeln bedruckt sind, werden als Substrat für die Entwicklung sensitiver Schnelltests auf der Basis von Nukleinsäure-Microarrays Microarrays erprobt.

Anpassung der Oberflächenspannung von Inkjet-Tinten.

Biofunktionale Tinten

Auch in der Biotechnologie wächst der Bedarf an Verfahren für eine reproduzierbare und automatisierbare Verarbeitung von Materialien – insbesondere für die Verarbeitung von biologischen oder biofunktionalen Materialien. Am Fraunhofer IGB wurde eine Tintenformulierung für die Verarbeitung von Proteinen unter Erhalt ihrer nativen Funktionalität entwickelt. Diese biofunktionalen Tinten können eingesetzt werden, um bestimmte Bereiche auf einem Substrat für die Adhäsion von unterschiedlichen Zelltypen attraktiv zu gestalten. Photovernetzbare Protein-Tinten sollen einmal für den Aufbau dreidimensionaler Trägerstrukturen für Zellen eingesetzt werden. Zur Einstellung der Viskosität und der Oberflächenspannung der Tinten haben wir wasserlösliche und proteinkompatible Komponenten verwendet (siehe Grafik).

Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz des Inkjet-Druckverfahrens für die Entwicklung von Biomaterialien, die sich für Zellassays einsetzen lassen: Durch Zugabe verschieden großer Partikel zur Tinte können wir beispielsweise Felder mit unterschiedlichen Topographien erzeugen und deren Einfluss auf die Adhäsion von Zellen untersuchen.

Ausblick

Über die Inkjet-Technologie gelingt der Materialauftrag teurer und hochwertiger Substanzen punktgenau und praktisch verlustfrei. Für den Einsatz in 3D-Inkjet-Druckverfahren werden am Fraunhofer IGB momentan Tintenformulierungen aus UV-A-vernetzbaren Biopolymeren erarbeitet.

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »Micro-Print – Drucktechnik für innovative funktionale Oberflächen«, Förderkennzeichen 01 RI 0618A.

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
SCHOTT Technical Glass Solutions GmbH, Jena
Inomat GmbH, Neunkirchen