Materialien im 3D-Druck

Eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten

Neues Verfahren für 3D-Druck mit Glas

Das Team um Dr.Bastian E. Rapp am Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT, hat ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem man Glas drucken kann. Glas wurde bereits in der Antike verwendet, und nun, tausende Jahre später, kann das transparente, hitzebeständige und säureresistente Material durch das neue Verfahren als 3D-gedruckte Version in Bereichen wie Biotechnologie, Optik oder Datenübertragung zum Einsatz kommen.

 

Three-Dimensional Printing of Transparent Fused Silica Glass

Dr.Bastian E. Rapp forscht am KIT am Institut für Mikrostrukturtechnik und leitet eine Arbeitsgruppe, der Chemiker, Elektrotechniker und Biologen angehören. Unter dem Titel „Three-Dimensional Printing of Transparent Fused Silica Glass“ stellen die Wissenschaftler das Verfahren in der Fachpublikation Nature vor.

 

Das Verfahren

Die Forscher mischen Nanopartikel hochreinen Quarzglases mit einer kleinen Menge flüssigen Kunststoffs und lassen diese Mischung durch Licht- mittels Stereolithografie– 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. Rapp erklärt:

„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.“

 

Neue Methode

Die verschiedenen Techniken des 3D-Drucks eigneten sich bislang zwar für die Verwendung von Kunststoffen oder Metallen, nicht jedoch für Glas. Wurde Glas bisher, zum Beispiel durch Schmelzen und Applizieren mittels einer Düse, zu Strukturen verarbeitet, wurde die Oberfläche sehr rau, das Material war porös und enthielt Hohlräume. Rapp:
„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.“
Die von den Wissenschaftlern am KIT gefertigten gläsernen Strukturen weisen Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer auf- ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter. „Die Abmessung der Strukturen kann aber im Bereich mehrerer Zentimeter liegen“, betont Rapp.
 

Einsatzmöglichkeiten

Einsetzen ließe sich 3D-geformtes Glas zum Beispiel in der Datentechnik. Rapp erläutert:
„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.“
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.
 

Forschungsförderung

Die Entwicklung der Forscher um Nachwuchsgruppenleiter Bastian E. Rapp ist ein Ergebnis im Zuge der Nachwuchsförderung „NanoMatFutur„, mit der das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Entwicklung von Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft unterstützt.
Die Arbeit der von Rapp geleiteten Forschergruppe wird vom BMBF seit 2014 für insgesamt vier Jahre mit rund 2,8 Millionen Euro gefördert. Rapp:
„Unsere Forschung profitiert sehr vom interdisziplinären Miteinander verschiedener Institute am KIT, so sind neben dem Institut für Mikrostrukturtechnik unter anderem Kollegen vom Institut für Nukleare Entsorgung und vom Institut für Angewandte Materialien an dem Projekt beteiligt.“

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