Glas-3D-Druck Glasbauteile in einem einzigen Schritt generieren

Sehr kleine Bauteile aus transparentem Glas schnell und präzise fertigen – das war bisher nicht möglich. Eine materialwissenschaftliche Erfindung der Universität Freiburg wurde deshalb mit einer neu entwickelten 3D-Druck-Technologie der University of California kombiniert.

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Das kleine Glasbauteil mit Gitterstruktur entstand in wenigen Minuten aus so genannten Glassomer-Materialien im Computed Axial Lithography (CAL)-Verfahren.
Das kleine Glasbauteil mit Gitterstruktur entstand in wenigen Minuten aus so genannten Glassomer-Materialien im Computed Axial Lithography (CAL)-Verfahren.
(Bild: University of California, Berkeley)

Der Werkstoff Glas ist wegen seiner Transparenz sowie der Stabilität beim Kontakt mit Hitze oder Chemikalien für viele Hightech-Anwendungen relevant. Herkömmliche Formgebungsverfahren sind oft langwierig, energieintensiv und stoßen bei kleinen und komplizierten Bauteilen schnell an ihre Grenzen. Nun hat die Universität Freiburg hat in Kooperation mit der University of California in Berkeley ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich sehr kleine Bauteile aus transparentem Glas schnell und präzise per Mikro-3D-Druck herstellen lassen.

Die Glassomer-Materialien

Die neue Technologie basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt und in die Glassomer GmbH ausgegründet wurden. Wie die Uni Freiburg mitteilt, bestehen die Materialien aus Glaspulver in einem speziellen Kunststoff-Binder. So könne Glas wie Kunststoff bearbeitet werden. Die dadurch entstehenden Komponenten kommen anschließend in einen Ofen, wo der Kunststoff verbrennt und das Glas gesintert wird. Die Bauteile bestehen danach aus 100 Prozent hoch transparentem Quarzglas, heißt es.

Das Computed Axial Lithography (CAL)-Verfahren

Herkömmliche 3D-Printer drucken ihre Objekte Schicht für Schicht. Bei dem neuen, Computed Axial Lithography (CAL) genannten Verfahren der University of California entsteht das Bauteil dagegen in einem einzigen Schritt: Ein Gefäß mit flüssigem, lichtempfindlichen Material wird hierfür aus vielen verschiedenen Winkeln mit zweidimensionalen Lichtbildern des zu druckenden Objekts belichtet. Wo die Bilder sich überschneiden und die absorbierte Lichtmenge dadurch lokal einen gewissen Schwellwert überschreitet, härtet das Material schlagartig aus – innerhalb weniger Minuten ist das Bauteil geformt. Das überschüssige, noch flüssige Material kann abgewaschen werden.

Die Kombination von Glaspulver mit Mikro-3D-Druck

Die Freiburger Wissenschaftler kombinierten nun die Glassomer-Materialien mit dem neuen 3D-Druckverfahren aus Berkeley. Dafür entwickelten sie ein Material aus Glaspulver und Kunststoff, das sowohl sehr lichtdurchlässig ist als auch bei einem geeigneten Schwellwert schnell aushärtet. Die Anlagentechnik wurde an der University of California dahin weiterentwickelt, dass auch feine Strukturen möglich sind. Laut Uni Freiburg konnte so erstmals Glas mit Strukturen im Bereich von 50 Mikrometern in wenigen Minuten gedruckt werden. Außerdem seien die Oberflächen der Bauteile glatter als bei herkömmlichen 3D-Druck-Verfahren.

Glas als Ersatz für anfälligen Kunststoff

Mögliche Anwendungen werden zum Beispiel in mikrooptischen Komponenten von Sensoren, Virtual-Reality-Headsets und modernen Mikroskopen gesehen. Aber auch für so genannte Lab-on-a-Chip-Systeme für Forschung und medizinische Diagnostik werden mikroskopisch kleine Flüssigkeitskanäle benötigt. Diese bestehen bisher meist aus Kunststoffen, die hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien aber oft nicht standhalten. Durch die neue Prozesstechnik ließen sich diese komplexen Kanalsysteme aus Glas herstellen.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science

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