3D-Druck Komplexe und hochporöse Glasobjekte aus dem 3D-Drucker

Glasobjekte aus dem 3D-Drucker? Bisher haben dies nur wenige Forschungsgruppen weltweit versucht. ETH-Forscher haben nun komplexe und hochporöse Glasobjekte hergestellt. Ein spezielles Harz bildet hierfür die Grundlage.

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ETH Zürich

Noch sind die 3D-​gedruckten Glasobjekte höchstens so groß wie ein Spielwürfel. Große Glasobjekte wie Flaschen, Gläser oder Fensterscheiben können auf diese Weise nicht erzeugt werden. Das war auch nicht das Ziel der Forscher der ETH Zürich für diese Arbeit gewesen. Die Forscher David Moore, Lorenzo Barbera und Kunal Masania aus der Gruppe für Komplexe Materialien von ETH-​Professor André Studart wollten damit vielmehr den Machbarkeitsnachweis erbringen, dass man mit einem 3D-Druckverfahren Glasgegenstände von komplexer Geometrie herstellen.

Stereolithografie als Grundlage

Grundlage ihres neuen Verfahrens ist die Stereolithografie, eine der ersten 3D-​Drucktechniken aus den 1980er-​Jahren. Die ETH-Forscher entwickelten hierfür ein spezielles Harz. Das Harz ist aus flüssigem Kunststoff und einem Siloxan zusammengesetzt. Darüber berichten sie in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Materials“.

Der lange Weg zum gedruckten Glas

Glasobjekte mit einem 3D-​Druckverfahren herzustellen, ist nicht einfach. Erst wenige Forschungsgruppen weltweit haben versucht, Glas mithilfe additiver Verfahren zu produzieren. Die Mediated Matter Group, das MIT Department of Mechanical Engineering und das Glass Lab des MITs haben gemeinsam einen Ofen entwickelt, in dem dem ein Extruder, ähnlich dem aus dem FDM Verfahren, das erhitzte Glas in einer Schicht aufschmilzt. Das hat den Nachteil, dass dafür sehr hohe Temperaturen und hitzebeständige Apparaturen nötig sind. Andere verwendeten pulverförmige Keramikpartikel, die sich bei Raumtemperatur drucken und später zu Glas sintern lassen. Allerdings war die Komplexität der daraus gefertigten Objekte bisher eher gering.

Glasobjekt wächst mit Licht

Das Harz lässt sich mit einem kommerziell erhältlichen Stereolithografiegerät verarbeiten. Dabei werden UV-​Lichtmuster auf das Harz gestrahlt. Dort, wo das Licht auftrifft, wird das Harz hart. Dies geschieht deshalb, weil sich an den belichteten Stellen die beiden Harzkomponenten vollständig auftrennen: die Kunststoffmonomere formieren sich zu einem labyrinthähnlichen Polymergerüst, die Moleküle des Siloxans füllen die Zwischenräume des Labyrinths aus.

Ein Objekt kann so Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dabei können die Forscher bei jeder Schicht verschiedene Parameter verändern, etwa die Porengrösse: So erzeugt eine schwache Lichtintensität große Poren. Ist die Einstrahlung stark entstehen kleine Poren. „Wir haben das per Zufall entdeckt, können es aber nutzen, um die Porengröße in den Objekten gezielt zu verändern“, sagt der ETH-Forscher Kunal Masania.

Mikrostruktur schichtweise ändern

Die Forscher können ebenfalls die Mikrostruktur des Objekts schichtweise verändern. Dafür mengen sie dem Harz auch Borat oder Phosphat bei. Dadurch lassen sich Objekte herstellen, die aus verschiedenen Glastypen aufgebaut sind.

Einen so hergestellten Rohling müssen die Forschenden anschließend bei zwei unterschiedlichen Temperaturen brennen: Bei 600° C, um das Polymergerüst zu verbrennen, und dann bei rund 1000° C, um die Objekte zu Glas zu verdichten. Beim Brennen schrumpfen sie erheblich, werden aber transparent und hart wie Fensterglas.

Reine Spielerei ist die neue Technik jedoch nicht. Die Forscher meldeten sie zum Patent an und verhandeln derzeit mit einem Schweizer Glaswarenhändler, der die Technologie in seinem Unternehmen einsetzen möchte.

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