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Additive Fertigung

Neue Methode ermöglicht 3D-Druck mit Glas

| Redakteur: Rebecca Vogt

Komplizierte, hochgenaue Strukturen aus Glas lassen sich nun durch eine am KIT entwickelte Methode im 3D-Druck fertigen.
Komplizierte, hochgenaue Strukturen aus Glas lassen sich nun durch eine am KIT entwickelte Methode im 3D-Druck fertigen. (Bild: Karlsruher Institut für Technologie)

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Objekte und Strukturen, die mit einem 3D-Drucker gefertigt werden, sind längst keine Seltenheit mehr. Am Karlsruher Institut für Technologie konnte nun erstmals Glas für den dreidimensionalen Druck eingesetzt werden. Mögliche Anwendungsfelder liegen in der Datenübertragung, der Optik und der Biotechnik.

Es ist einer der ältesten Werkstoffe der Menschheit. Bereits im alten Ägypten und bei den Römern verwendete man Glas. Dreidimensionales Drucken auf der anderen Seite ist die Fertigungstechnik des 21. Jahrhunderts. Sie ermöglicht das Herstellen äußerst kleiner und komplexer Strukturen auch in kleiner Serie. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet den Werkstoff Glas nun mit der Technik des 3D-Drucks. Ein interdisziplinäres Team um den Maschinenbauingenieur Dr. Bastian Rapp hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Glas für die additive Fertigungstechnik nutzen lässt.

Mischung aus Quarzglas und flüssigem Kunststoff

Die Forscher mischen Nanopartikel hochreinen Quarzglases mit einer kleinen Menge flüssigen Kunststoffs und lassen diese Mischung – mittels Stereolithografie – durch Licht an bestimmten Stellen aushärten. Das flüssig gebliebene Material wird in einem Lösungsmittelbad herausgewaschen. So bleibt nur die gewünschte, ausgehärtete Struktur bestehen. Der in dieser Glasstruktur noch eingemischte Kunststoff wird anschließend durch Erhitzen entfernt.

„Die Form ähnelt zunächst einem Sandkuchen. Sie ist zwar geformt, aber instabil, deshalb wird das Glas in einem letzten Schritt gesintert, also so weit erhitzt, dass die Glaspartikel miteinander verschmelzen“, erklärt Rapp. Er forscht am KIT am Institut für Mikrostrukturtechnik und leitet eine Arbeitsgruppe, der Chemiker, Elektrotechniker und Biologen angehören.

Innovation in der Materialverarbeitung

Die verschiedenen Techniken des 3D-Drucks eigneten sich bislang zwar für die Verwendung von Kunststoffen oder Metallen, nicht jedoch für Glas. Verarbeitete man Glas bisher – zum Beispiel durch Schmelzen und Applizieren mittels einer Düse – zu Strukturen, wurde die Oberfläche sehr rau, das Material war porös und enthielt Hohlräume.

Durch Eigenschaften wie Transparenz, Hitzebeständigkeit und Säureresistenz eröffnen sich mit der Verwendung von Glas im 3D-Druck vielfältige neue Anwendungsmöglichkeiten.
Durch Eigenschaften wie Transparenz, Hitzebeständigkeit und Säureresistenz eröffnen sich mit der Verwendung von Glas im 3D-Druck vielfältige neue Anwendungsmöglichkeiten. (Bild: Karlsruher Institut für Technologie)

„Wir stellen eine neue Methode vor, die eine Innovation in der Materialprozessierung bedeutet. Das Material des gefertigten Stücks ist hochreines Quarzglas mit seinen entsprechenden chemischen und physikalischen Eigenschaften“, erläutert Rapp. Die von den Wissenschaftlern am KIT gefertigten gläsernen Strukturen weisen Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer auf. „Die Abmessung der Strukturen kann aber im Bereich mehrerer Zentimeter liegen“, betont Rapp.

Einsatz in Datenübertragung, Biotechnik und Optik

Aufgrund seiner Eigenschaften wie Transparenz, Hitzebeständigkeit und Säureresistenz eröffnen sich mit der Verwendung von Glas im 3D-Druck vielfältige neue Anwendungsmöglichkeiten für die Fertigung und Forschung: Einsetzen ließe sich 3D-geformtes Glas zum Beispiel in der Datentechnik. „Die übernächste Generation von Computern wird mit Licht rechnen, das erfordert komplizierte Prozessorstrukturen. Mit Hilfe der 3D-Technik könnten beispielsweise kleine, komplexe Strukturen aus einer Vielzahl kleinster, unterschiedlich ausgerichteter optischer Komponenten hergestellt werden“, erklärt der Maschinenbauingenieur.

Für die biologische und medizinische Technik ließen sich kleinste Analyse-Systeme aus Miniatur-Glasröhrchen fertigen. Zudem könnten 3D-geformte Mikrostrukturen aus Glas in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten der Optik zum Einsatz kommen – vom Brillenglas mit besonderen Anforderungen bis zur Linse der Laptop-Kamera.

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