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