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Additive Fertigung Verfahren für den 3D-Druck von Quarzglas entwickelt

Quelle: UpNano 2 min Lesedauer

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UpNano und die Glassomer GmbH haben ein Verfahren für 3D-gedruckte Formteile im mm- und cm-Bereich aus Quarzglas entwickelt. Hierfür wurde ein Verfahren mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) unter Verwendung der hochauflösenden NanoOne-Drucker von UpNano modifiziert.

Quarzglas-Ferrulen mit einem Innendurchmesser von 126 µm, der dem Außendurchmesser von Standard-Glasfasern entspricht. Solche Ferrulen werden im Allgemeinen zur Befestigung und Verbindung von blanken optischen Glasfasern verwendet. Aufgrund des niedrigen und perfekt abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Quarzglasferrule und der optischen Glasfaser ist UpQuartz ein ideales Material für diese Anwendung.(Bild: UpNano)
Quarzglas-Ferrulen mit einem Innendurchmesser von 126 µm, der dem Außendurchmesser von Standard-Glasfasern entspricht. Solche Ferrulen werden im Allgemeinen zur Befestigung und Verbindung von blanken optischen Glasfasern verwendet. Aufgrund des niedrigen und perfekt abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Quarzglasferrule und der optischen Glasfaser ist UpQuartz ein ideales Material für diese Anwendung.
(Bild: UpNano)

Die Herstellung winziger 3D-Objekte aus Glas ist ein anspruchsvoller Prozess. Dies gilt umso mehr, wenn das benötigte Material hochwertiges Quarzglas (SiO₂) sein soll, das einen hohen Schmelzpunkt hat. Die bisher einzigen möglichen Methoden basieren auf nicht kommerziell erhältlichen Geräten und umfassen das Schmelzen von Glasfasern mit Laserstrahlen oder das Fused Deposition Modeling zur Herstellung von normalem Glas. Diese Methoden führen häufig zu Endprodukten mit rauen Oberflächen, die unerwünscht sind. Jetzt haben UpNano und Glassomer ein schnelles 3D-Druckverfahren entwickelt, um glatte Quarzglasbauteile im mm- und cm-Bereich mit Strukturen, die sogar im μm-Bereich liegen können, herzustellen.

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Prozess in drei Schritten

„Es handelt sich um einen Prozess in drei Schritten“, erklärt Markus Lunzer, Teamleiter von Materials & Application bei UpNano. „Der erste Schritt besteht darin, die gewünschte Struktur zu entwerfen und zu drucken und dabei alle Vorteile des Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)-3D-Drucks zu nutzen. Der zweite Schritt ist das Entfernen des organischen Bindematerials, gefolgt von einem Hochtemperatur-Sinterprozess, dem dritten Schritt.“

Das Herzstück ist ein neu entwickeltes Nanokomposit: „UpQuartz“. Es enthält neben SiO2-Nanopartikeln eine speziell entwickelte Polymermatrix, die den 2PP 3D-Druck des Komposits überhaupt erst ermöglicht. Durch den Druckvorgang entsteht ein „grünes Teil“, das bereits die Form der endgültigen und gewünschten Struktur hat. Um am Ende das Quarzglasprodukt zu erhalten, muss die Polymermatrix entfernt werden. Dies wird durch Erhitzen des grünen Teils auf 600 °C erzielt und ein „braunes Teil” bleibt zurück. Dies hat bereits die gewünschte Form des Endprodukts und besteht nur aus SiO2. Dieses braune Teil wird dann bei 1.300 °C gesintert. Während der Nachbearbeitung erfährt das Objekt eine isotrope Schrumpfung von etwa 30 %. Dies kann durch ein entsprechendes Upscaling des grünen Teils mithilfe der UpNano-Software leicht kompensiert werden.

Buchtipp

Das Buch "Additive Fertigung" beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und unterstützt Konstrukteure und Entwickler dabei, additive Verfahren erfolgreich in ihren Unternehmen zu implementieren.

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„Dieses von uns entwickelte innovative Produktionsverfahren“, so Markus Lunzer, “eignet sich ideal für größere 3D-gedruckte Glasteile, die eine hohe Auflösung und Präzision erfordern, in den Bereichen Maschinenbau, Chemie, Medizin oder Forschung.“ Quarzglas bietet hervorragende optische Eigenschaften, ist biokompatibel, chemisch inert und außerordentlich hitzebeständig, was es zu einem idealen Material für eine breite Palette von Anwendungen macht. Nachdem UpNano bereits vor kurzem erfolgreich die Materialprüfung von 2PP 3D-gedruckten Teilen mit UpNano-Druckern und -Harzen für makroskopische Prüfkörper vorangetrieben hat, stellt diese neue Entwicklung nun erneut einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf das Potenzial des 2PP 3D-Drucks dar: Dabei konnten ganzheitlich eingebettete mikrofluidische Chips sowie Wolfram- und Platin-Mikrostrukturen mit (sub-)μm-Auflösung hergestellt werden.

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