Mikro-3D-Druck Jetzt gelingt der 3D-Druck haarfeiner und komplexer Glasteile

Quelle: Pressemitteilung

Forschende an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg haben eine Möglichkeit entwickelt, komplexe Glaskonstruktionen sehr produktiv und wirtschaftlich additiv zu fertigen.

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Solch filigrane Glaskonstruktionen können jetzt per 3D-Drucker sehr fix im Mikrometermaßstab gefertigt werden. Wie das geht, wissen Forschende aus Freiburg im Breisgau. Hier ein Resultat: ein Glas-Tetrakaidekaeder als Gitterkunstwerk.
Solch filigrane Glaskonstruktionen können jetzt per 3D-Drucker sehr fix im Mikrometermaßstab gefertigt werden. Wie das geht, wissen Forschende aus Freiburg im Breisgau. Hier ein Resultat: ein Glas-Tetrakaidekaeder als Gitterkunstwerk.
(Bild: UC Regents)

Wegen seiner sehr guten Transparenz und der Stabilität bei Hitzeeinwirkung oder wenn es Chemikalien ausgesetzt ist, ist das uralte Material Glas heute für viele Hightech-Anwendungen interessant. Übliche Verfahren zur Glasverformung kosten aber oft Zeit und Energie, sagen die Freiburger Forscher. Auch stoße man bei der Herstellung kleiner und komplizierter Bauteile schnell an Grenzen. Die Materialwissenschaftler Dr. Frederik Kotz-Helmer und Prof. Dr. Bastian E. Rapp haben, um das zu ändern, in Kooperation mit der University of California in Berkeley (USA) deshalb ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich sehr kleine Bauteile aus transparentem Glas schnell und präzise per Mikro-3D-Druck herstellen lassen. Mögliche Anwendungen sind Komponenten von Sensoren und Mikroskopen, aber auch von Lab-on-a-Chip-Systemen, wie es weiter heißt. Ihre Ergebnisse konnten die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlichen. An dieser Stelle ein paar Informationen.

Glaspulver trifft auf Kunststoffbinder

Die neue Möglichkeit, um komplexe, transparente Mini-Glaskomponenten zu schaffen, basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die beide Experten am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt haben. Glassomer-Materialien, so die Erläuterung dazu, bestehen aus Glaspulver, das in einem speziellen Kunststoffbinder eingebettet ist. So ließe sich das Glas wie ein Kunststoff bearbeiten. Die dadurch entstehenden Komponenten kommen anschließend in einen Ofen, in dem der Kunststoff verbrannt und das Glas gesintert, also verdichtet, wird. Das Resultat sind Bauteile aus einhundert Prozent hoch transparentem Quarzglas.

In einem einzigen Schritt zum Mini-Glasbauteil

Glassomer-Materialien nutzten die Freiburger Wissenschaftler für ihre Idee nun mit einem neuen 3D-Druckverfahren, das von einem Forschungsteam um Prof. Dr. Hayden Taylor von der University of California entwickelt wurde. Der Unterschied: übliche 3D-Printer fertigen Objekte Schicht für Schicht. Aber bei dem neuen Verfahren, Computed Axial Lithography (CAL) genannt, entsteht das Bauteil in einem einzigen Schritt. Wie das geht? Nun, ein Gefäß mit flüssigem, lichtempfindlichen Material wird dazu aus vielen verschiedenen Winkeln mit zweidimensionalen Lichtbildern des zu druckenden Objekts belichtet. Wo die Bilder sich überschneiden und die absorbierte Lichtmenge dadurch lokal eine gewisse Strahlungsintensität überschreitet, härtet das Material schlagartig aus. So erreicht man, dass innerhalb weniger Minuten das Bauteil fertig ist, wie die Forschenden betonen. Das überschüssige und noch flüssige Material könne wie bei den altbekannten Lithographieverfahren mit Kunstharzen einfach abgewaschen werden. Den Wissenschaftlern ist es dabei gelungen, dass das Verfahren nicht wie früher nur relativ grobe Bauteile zulässt. Denn jetzt, wie es weiter heißt, kann man damit so feine Strukturen schaffen, die einem Haar entsprechen. Die Experten sprechen von einem Bereich um die 50 Mikrometer. Aber auch in puncto Oberflächenqualität entstehen glattere Außenflächen am Teil.

Gedruckte Mikroglasteile könnten Kunststoffe ersetzen

Mögliche Anwendungen für 3D-gedruckte Mini-Glasbauteile sieht Kotz-Helmer zum Beispiel in mikrooptischen Komponenten von Sensoren, Virtual-Reality-Headsets und modernen Mikroskopen. Die Möglichkeit, solche Komponenten mit hoher Geschwindigkeit und großer geometrischer Freiheit herzustellen, wird seiner Ansicht nach in Zukunft neue Funktionen und günstigere Produkte aus der Taufe heben.

Und für die ganz oben bereits erwähnten Lab-on-a-Chip-Systeme für Forschungszwecke und medizinische Diagnosen würden mikroskopisch kleinen Flüssigkeitskanäle benötigt. Diese seien heute meist aus Kunststoff, der aber hohen Temperaturen und zum Teil aggressiven Chemikalien nicht standhalte. Diese Mikrokanäle können mit dem oben geschilderten Verfahren nun komplexer und eben aus dem unempfindlicheren Werkstoff Glas hergestellt werden, was neue Perspektiven in diesem Bereich schafft.

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