Foto eines Tetrakaidekaeders mit Gitterstruktur.

Neues Verfahren ermöglicht 3D-Druck von kleinen und komplexen Bauteilen aus Glas in wenigen Minuten

Publiziert

Mögliche Anwendungen der neuen Prozesstechnik sind mikrooptische Komponenten von Sensoren, Mikroskopen oder Lab-on-a-Chip-Systemen

Wegen seiner herausragenden Transparenz sowie der Stabilität beim Kontakt mit Hitze oder Chemikalien ist Glas für viele Hightech-Anwendungen relevant. Herkömmliche Verfahren zur Formgebung von Glas sind aber oft langwierig, energieintensiv und stossen bei kleinen und komplizierten Bauteilen schnell an ihre Grenzen. Die Freiburger Materialwissenschaftler Dr. Frederik Kotz-Helmer und Prof. Dr. Bastian E. Rapp haben in Kooperation mit der University of California in Berkeley/USA 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 etwa Komponenten von Sensoren und Mikroskopen, aber auch von Lab-on-a-Chip-Systemen. Ihre Ergebnisse konnten die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science veröffentlichen.

Glaspulver in Kunststoff-Binder
Die neue Technologie basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die Kotz-Helmer und Rapp am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt haben. „Glassomer-Materialien bestehen aus Glaspulver in einem speziellen Kunststoff-Binder“, sagt Kotz-Helmer, „so lässt sich Glas wie Kunststoff bearbeiten.“ Die dadurch entstehenden Komponenten kommen anschliessend in einen Ofen, wodurch der Kunststoff verbrennt und das Glas gesintert, also verdichtet wird: „Am Ende bestehen die Bauteile aus einhundert Prozent hoch transparentem Quarzglas“, sagt Kotz-Helmer.

Bauteil entsteht in einem einzigen Schritt
Glassomer-Materialien kombinierten die Freiburger Wissenschaftler*innen nun mit einem neuen 3D-Druckverfahren, das von einem Forschungsteam um Prof. Dr. Hayden Taylor von der University of California entwickelt wurde. Herkömmliche 3D-Printer drucken ihre Objekte Schicht für Schicht – bei dem neuen, Computed Axial Lithography (CAL) genannten Verfahren 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.

Strukturen mit der Dicke eines Haares
„Dieses Verfahren funktioniert grundsätzlich auch mit Glassomer-Material“, sagt Kotz-Helmer. Die Freiburger Wissenschaftler*innen entwickelten hierfür ein Material aus Glaspulver und Kunststoff, das sowohl sehr lichtdurchlässig ist als auch bei einem geeigneten Schwellwert schnell aushärtet. „Hier steckte der Teufel im chemischen Detail“, sagt der Materialwissenschaftler. Bisher sei das Verfahren ausserdem nur für relativ grobe Strukturen geeignet gewesen. Durch die Kombination der materialwissenschaftlichen Expertise an der Universität Freiburg und des Projektpartners Glassomer GmbH – eine Freiburger Ausgründung – sowie der Weiterentwicklung der Anlagentechnik an der University of California sei es jetzt gelungen, diese Technologien zu vereinen und zu verbessern, sagt Kotz-Helmer: „Wir konnten erstmals in wenigen Minuten Glas mit Strukturen im Bereich von 50 Mikrometer drucken, das entspricht etwa der Dicke eines Haares. Ausserdem sind die Oberflächen der Bauteile glatter als bei herkömmlichen 3D-Druck-Verfahren.“

Glas als Ersatz für anfälligen Kunststoff
Mögliche Anwendungen des innovativen Herstellungsverfahrens 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 in Zukunft neue Funktionen und kostengünstigere Produkte ermöglichen.“

Auch für so genannte Lab-on-a-Chip-Systeme für Forschung und medizinische Diagnostik werden mikroskopisch kleinen Flüssigkeitskanäle benötigt. Diese bestehen bisher meist aus Kunststoffen, die hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien aber oft nicht standhalten. Durch die neue Prozesstechnik lassen sich nun auch komplexe Kanalsysteme in Glas herstellen, sagt Kotz-Helmer: „Dank der thermischen und chemischen Stabilität von Glas eröffnen sich viele neue Anwendungsfelder, insbesondere im Bereich der chemischen On-a-Chip-Synthese.“

Originalveröffentlichung
J. Toombs et al.; Volumetric Additive Manufacturing of Silica Glass with Microscale Computed Axial Lithography. Science; 2022

EVENTS

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25.-28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis