Additive Fertigung 3D-Druck erstmals mit Glas möglich

Erstmals ist es Forschern des KIT gelungen, Glas als Werkstoff für 3D-Druck zu verwenden. Auf der diesjährigen Hannover Messe präsentieren die Wissenschaftler das Verfahren.

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KIT Karlsruher Institut für Technologie

Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, um erstmals Glas für 3D-Druck zu nutzen. Bisher gängige Materialien für den 3D-Druck waren vor allem Kunststoff und Metall. Auf der Hannover Messe stellen die Forscher das Verfahren am Stand des KIT vor.

Ein interdisziplinäres Team am KIT um den Maschinenbauingenieur Dr. Bastian E. Rapp hat das Verfahren entwickelt, bei dem Nanopartikel hochreinen Quarzglases mit einer kleinen Menge flüssigen Kunststoffs gemischt werden. Diese Mischung lassen sie 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.

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Glas wie Kuchen backen

„Die Form ähnelt zunächst einem Sandkuchen“, veranschaulicht Rapp. „Sie ist zwar geformt, aber instabil, deshalb wird das Glas in einem letzten Schritt gesintert.“ Beim Sintern wird das Glas so weit erhitzt, dass die Glaspartikel miteinander verschmelzen.

Durch die Verwendung von Glas erschließen sich zahlreiche neue Möglichkeiten: In der Optik, der Datenübertragung oder der Biotechnologie ist der transparente, hitzebeständige und säurebeständige Werkstoff gefragt und mithilfe der additiven Fertigung können kleine, filigrane Teile gedruckt werden. Unter dem Titel „Three-Dimensional Printing of Transparent Fused Silica Glass“ stellen die Wissenschaftler das Verfahren in der Fachpublikation Nature vor.

Filigrane, hochgenaue Strukturen möglich

Bei der bisherigen Glasverarbeitung, zum Beispiel durch Schmelzen und Applizieren mittels einer Düse, wurde die Oberfläche rau, das Material war porös und enthielt Hohlräume. „Wir stellen eine Methode vor, die eine Innovation in der Materialprozessierung bedeutet“, erklärt Rapp. „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. „Die Abmessung der Strukturen kann aber im Bereich mehrerer Zentimeter liegen“, betont Rapp.

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“, erläutert 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.

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.

Hannover Messe 2017: Halle 2, B16

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