Neuland

Garantiert schwindelfrei

Das KIT und ZEISS sagen Produktpiraterie den Kampf an. Gedruckte, fluoreszierende 3D-Mikrostrukturen bieten erhöhten Schutz vor Fälschungen.

Lederwaren, Kunstwerke, Schmuck – es gibt kaum einen Bereich, in dem Produktfälschungen nicht alltäglich geworden sind. Alleine im Jahr 2017 hat der deutsche Zoll 3.295.600 gefälschte Artikel im Wert von 196 Millionen Euro aus dem Verkehr gezogen. Schätzungen des Beratungsunternehmens Ernst & Young zufolge erleidet die deutsche Wirtschaft hierdurch jährlich Schaden in Höhe von 56 Milliarden Euro. Doch nicht nur Hersteller stehen den sinkenden Marktanteilen und Imageeinbußen beinahe machtlos gegenüber, auch Kunden haben mit den negativen Folgen der Produktpiraterie zu kämpfen. Gerade wenn Produkte betroffen sind, deren Sicherheit und Zuverlässigkeit, etwa bei Kfz-Ersatzteilen, in Frage stehen, wird der Handlungsbedarf deutlich.

Eine Maßnahme könnte die Weiterentwicklung von Sicherheitsmerkmalen sein, mit denen sich Original und Fälschung eindeutig unterscheiden lassen. „Die meisten optischen Sicherheitsmerkmale basieren heutzutage auf zweidimensionalen Strukturen, wie zum Beispiel Hologrammen. Allerdings konnten diese Verfahren in der Vergangenheit bereits imitiert und als Stempel auf Fälschungen übertragen werden. Wissenschaft und Produktfälscher liefern sich hier ein permanentes Rennen um die Entwicklung neuer Sicherheitsmerkmale und deren Nachahmung“, so Professor Martin Wegener, Gruppenleiter am Institut für Angewandte Physik sowie Direktor am Institut für Nanotechnologie des KIT.

Nach der Anfrage der Carl Zeiss AG, ob ein solches Sicherheitsmerkmal herstellbar wäre, hat er gemeinsam mit dem Wissenschaftler Frederik Mayer und Mitarbeitern von ZEISS ein innovatives Verfahren entwickelt, das auf dreidimensionalen Mikrostrukturen beruht. Diese bestehen aus einem stabilen dreidimensionalen Stützgerüst, in dem sich Quantenpunkte aus fluoreszierenden Materialien variabel anordnen lassen. Schicht für Schicht wird so eine Struktur aus einem nicht-fluoreszierenden und zwei oder mehr fluoreszierenden Fotolacken aufgetragen. Dieser Prozess ist deutlich sicherer als bestehende Verfahren. „Zum einen ermöglicht die Beimengung beliebig vieler verschiedener fluoreszierender Materialien eine hohe Variantenvielfalt, zum anderen ist es aufgrund der Vielschichtigkeit sehr komplex in der Herstellung. Dieses Konstrukt macht Fälschern das Leben schwer“, erklärt Frederik Mayer.

Gedruckt wird mit einem hochaufgelösten Laserlithografiegerät der Firma Nanoscribe GmbH, einem Spin-off des KIT, an dem auch ZEISS beteiligt ist. Der Laserstrahl des Druckers durchfährt den flüssigen Fotolack. Lediglich am Fokuspunkt des Laserstrahls wird das Material belichtet und härtet aus. Besonders ist hier die geringe Größe der optischen Sicherheitsmerkmale mit einer Seitenlänge von 100 Mikrometern, was in etwa der Dicke einer 80g/m² Papierseite entspricht. Dies hat den Vorteil, dass sie mit dem menschlichen Auge nicht erkennbar sind und damit auch auf hochwertigen Produkten, wie etwa Schmuck, dauerhaft aufgebracht werden können. Die Zahl möglicher Anwendungsgebiete ist riesig. „Denkbar wäre, die filigrane Struktur in Sicherheitsetiketten zu integrieren, die eingesetzt werden, um beispielsweise Pharmazeutika oder Original-Ersatzteile von Fälschungen zu unterscheiden. Es wäre aber ebenso möglich, das Verfahren im Bereich des Dokumentenschutzes zu verwenden, etwa als Sicherheitszeichen von Ausweisen und Reisepässen“, so Professor Wegener. „Zum Auslesen ist jedoch ein spezielles Lesegerät nötig, das die fluoreszierenden 3D-Strukturen sichtbar macht. Aktuell verwenden wir dazu ein spezielles konfokales Laserscanning-Mikroskop. Um den Schritt in den industriellen Einsatz zu schaffen, wäre das Ziel, ein handliches und deutlich günstigeres Auslesegerät für die Endkunden zu entwickeln.“

Stefan Richter, Mitarbeiter im Bereich Corporate Research & Technology von ZEISS, betont: „Unser Interesse gilt aktuell vor allem der Forschung. Hier sehen wir uns als Sparringspartner und Berater, der Unterstützung beispielsweise im Bereich der Messtechnik oder der Bereitstellung optischer Komponenten bietet. Langfristig wollen wir natürlich auch prüfen, wie ein mögliches Geschäftsmodell aussehen könnte, wer potenzielle Kunden sind und ob entsprechende Schreib- und Auslesegeräte auf Nachfrage stoßen.“

NANOSCRIBE GMBH

Die wissenschaftliche Ausgründung aus dem Karlsruher Institut für Technologie wurde 2008 gegründet und hat sich seitdem als Markt- und Technologieführer im Bereich des 3D-Drucks auf der Nano- und Mikrometerskala etabliert. Das Unternehmen liefert Geräte, Software und Materialien rund um die Laserlithografie sowie zugehörige Prozesse als Gesamtlösung aus einer Hand.

„Die Zahl möglicher Einsatzszenarien kann sehr groß sein“

Stefan Richter, Mitarbeiter Corporate Research & Technology, Systems & Engineering der Carl Zeiss AG, über die Zusammenarbeit von ZEISS und dem KIT

Wie kam es zur Kooperation von ZEISS und dem KIT im Bereich optischer Sicherheitssysteme?

Richter: „ZEISS steht schon seit vielen Jahren mit Professor Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik in regelmäßigem Kontakt, was die Forschung im Bereich Photonik und Mikrotechnologie angeht. Hinzu kommt unsere Beteiligung am Unternehmen Nanoscribe, das die für diese Forschung nötige Hardware, nämlich 3D-Drucker für die Nano- und Mikrometerskala, bereitstellt. Auf der Suche nach neuen Produktideen sind wir als Corporate Research und Technology sehr daran interessiert, frühzeitig den Austausch mit Experten auch aus dem akademischen Umfeld zu suchen. Mit der initialen Idee eines dreidimensionalen Sicherheitsmerkmals sind wir auf Professor Wegener zugegangen, der gemeinsam mit dem Wissenschaftler Frederik Mayer das Konzept fundamental ausgebaut hat. Bereits nach kurzer Zeit war eine sehr überzeugende Demonstration der Sicherheitsmerkmale umgesetzt.

Wie sieht aktuell Ihre Rolle als Kooperationspartner aus?

Richter: „Da wir bei neuen Ideen stets einen Bezug zu zukünftigen Anwendungen und Produkten suchen, sind wir an Kompetenzen aus dem akademischen Umfeld im Hinblick auf neue Technologien interessiert. Beim 3D-Druck von Mikrostrukturen ist die Arbeitsgruppe von Professor Wegener für uns aufgrund der langjährigen Expertise erster Ansprechpartner. Wir versuchen, die Arbeiten am KIT als Diskussionspartner durch unser Know-how im Bereich Mikroskopie und Messtechnik zu unterstützen sowie durch die Bereitstellung von Komponenten aus unserem Produktportfolio, wie etwa Mikroskop-Objektive. Darüber hinaus sehen wir die Erarbeitung von Optionen für eine gemeinsame kommerzielle Verwertung der Ergebnisse als unsere Aufgabe. Für diese Zusammenarbeit bietet die strategische Kooperation zwischen dem KIT und ZEISS eine ideale Grundlage.

Wo soll die Reise noch hingehen?

Richter: „Aktuell ist es schwierig vorherzusagen, wie sich die Ergebnisse der Promotion von Frederik Mayer kommerziell nutzen lassen. Prinzipiell ist es natürlich so, dass die Zahl möglicher Einsatzszenarien dieser Technologie sehr groß sein kann. Sie reicht vom Echtheitssiegel bei hochwertigen Produkten bis hin zum Schutz von Dokumenten wie Reisepässen oder Ausweisen. Auf der anderen Seite ist es aber auch so, dass die Einführung entsprechender Produkte kein Selbstläufer ist. Man muss die entsprechenden Rahmenbedingen schaffen, etwa handliche und kostengünstige Auslesegeräte sowie Schreibsysteme für hohe Durchsätze zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus gilt es Pilotkunden zu finden, die an die Technologie glauben. Unsere Aufgabe ist es nun, zu prüfen, wie ein mögliches Geschäftsmodell aussehen könnte, wer potenzielle Kunden sind und ob entsprechende Produkte auf Nachfrage stoßen würden.“

Prof. Dr. Martin Wegener

Professor Dr. Martin Wegener ist seit 1995 am KIT tätig. Neben seiner Lehr- und Forschungstätigkeit am Institut für Angewandte Physik hat er aktuell mehrere Führungspositionen und Ämter inne. Seit 2001 leitet er die Abteilung „Photonik“ am Institut für Nanotechnologie, ist seit 2016 auch wissenschaftlicher Direktor des Instituts und war von 2015-2017 Dekan der Fakultät für Physik des KIT. Nach seiner Promotion 1978 an der Johann Wolfgang Goethe-Universität forschte der Physiker zunächst zwei Jahre als PostDoc in den AT&T Bell Laboratories in den USA.

Professor Wegeners Forschungsinteressen liegen auf den Gebieten ultraschnelle Optik, (extreme) nichtlineare Optik, Nahfeldoptik, optische Laserlithographie sowie optische, mechanische, elektronische und thermodynamische Metamaterialien. Auf diesen Gebieten verfasst er zahlreiche Publikationen und ist Mitherausgeber verschiedener wissenschaftlicher Journale. Nach der Auswertung des Medienkonzerns Thompson Reuters war Professor Wegener sogar vier Jahre in Folge (2014-2017) einer der meistzitierten Wissenschaftler (Top 1%).

Außerdem wurden dem Physiker viele renommierte Preise für seine Forschung und auch für seine Lehrtätigkeiten verliehen, unter anderem der Landeslehrpreis Baden-Württemberg (1998), der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der DFG (2000), der European Union René Descartes Prize 2005. Erst 2017 erhielt er den Technologietransferpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft gemeinsam mit der Nanoscribe GmbH. Professor Wegener ist einer der vier Gründer dieses Spin-Offs des KIT, das sich nach nur wenigen Jahren zu einem internationalen Marktführer für höchstpräzisen 3D-Laserlithographie entwickelte.

Frederik Mayer

Frederik Mayer wurde 1991 in Stuttgart geboren und begann 2010 mit dem Studium der Physik am Karlsruher Institut für Technologie, welches er 2016 abschloss. In seiner Masterarbeit beschäftigte er sich mit der Lichtausbreitung in streuenden Medien und entwickelte eine maßgeschneiderte Tarnkappe zur Tarnung von Kontaktdrähten auf großflächigen organischen Leuchtdioden.

Seit 2016 ist er Doktorand am Institut für Nanotechnologie und am Institut für Angewandte Physik. Hier arbeitet er an der Entwicklung neuartiger Sicherheitsmerkmale, die mithilfe von 3D-Mikrodruckverfahren hergestellt werden können.