LLNL Forscher erzielen bedeutenden Fortschritt bei 3D-Druck von transparentem Glas

Wissenschaftler der Forschungseinrichtung Lawrence Livermore National Laboratory in den USA habe eine neue Methode zum 3D-Druck von transparentem Glass entwickelt, die bedeutend für die Herstellung von Lasern und anderen optischen Geräten sein könnte.

Bei der Verwendung von Glas als 3D-Druckmaterial hat es bislang schon einige Ansätze gegeben. Das israelische Unternehmen MICRON3DP hat beispielsweise ein FDM-Gerät entwickelt, bei dem geschmolzenes Glas auf rund 1.000°C erhitzt und extrudiert wird. Erst kürzlich haben deutsche Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie ein Stereolithographie-Verfahren für Glas entwickelt. Dafür wurde Quarzglas zu feinem Pulver zerkleinert und mit flüssigem Kunstharz vermischt, welches bei nachfolgendem Erhitzen wieder ausgeschmolzen wird. Diese Herangehensweise ermöglicht es das Material bei niedrigen Temperaturen zu verarbeiten.

Forscher des LLNL haben sich der Herausforderung von der Materialseite genährt und spezielle Glas-Tinten entwickelt. Sie stellten fest, dass bei extrusionsbasierten oder Stereolithographie-Verfahren das Material nicht komplett verschmolzen wird, was zu Ungleichmäßigkeit und Porosität führt. Damit hergestellte Objekte würden also für den Einsatz bei optischen Anwendungen ungeeignet sein.

Rebecca Dylla-Spears, Chemieingenieurin und Projektleiterin bei LLNL, erklärt, dass bislang eingesetzte optische Materialien keineswegs ersetzt, sondern für den Einsatz in der Additiven Fertigung fit gemacht werden sollen. Ein erster Schritt ist der 3D-Druck von kompositorischer Glasoptik. Dazu haben die Forscher spezielle Tinten entwickelt, die aus konzentrieren Suspensionen von Glaspartikeln mit steuerbaren Fließeigenschaften bestehen, damit sie bei Raumtemperatur verarbeitet werden können. Gedruckte Objekte werden einer Hitzebehandlung unterzogen um die Dichte zu erhöhen und Spuren des 3D-Druckprozesses zu beseitigen. Zu guter Letzt erfolgt eine Politur der Glasteile die zu besserer optischer Einheitlichkeit beiträgt.

“Beim 3D-Druck von hochqualitativen Optiken sollte man keine Poren und Linien sehen – sie müssen transparent sein,” erklärt Materialwissenschaftler Du Nguyen. “Nachdem wir eine allgemeine Rezeptur geschaffen hatten, konnten wir diese so optimieren, dass das Material während des Druckvorgangs verschmilzt. Die meisten Forschungsgruppen, haben das Glas zuerst geschmolzen und es dann abkühlen lassen, was die Wahrscheinlichkeit von Eigenspannung und Bruchstellen erhöht. Da wir bei Raumtemperatur drucken ist dies kein Problem.”

Die Forscher verwendeten eine breiartige Masse aus Silika-Partikeln die mittels Direct Ink Writing Verfahren aufgetragen wird. Gedruckte Objekte sind zwar zuerst undurchsichtig, werden dann aber durch die Hitzebehandlung transparent. Ein weiterer Vorteil der niedrigeren Drucktemperatur ist das Erzielen einer höheren Detailgenauigkeit.

“Dies war ein bedeutender Schritt, da es bislang keine Demonstration von dichten und transparenten 3D-gedruckten Glasstrukturen unter Anwendung von Extrusionsverfahren gab,” sagt Dylla-Spears. “Wir sind am Weg Richtung 3D-gedruckter Glasoptiken.”

Das Verfahren ermöglicht es auch verschiedene Brechungsindizes in einer flachen Optikkomponente zu vereinen, im Gegensatz zu speziellen Formen die bei zusammengesetzten Gläsern notwendig sind, um linsenähnliche Merkmale zu erzielen. Aufgrund der Möglichkeit die Zusammensetzung zu programmieren, könnten gedruckte Komponenten einfacher und günstiger in der Herstellung sein.

Die Wissenschaftler möchten aber keineswegs traditionelle Optiken ersetzen, sondern vielmehr neue Anwendungsmöglichkeiten erforschen. Das Designen von neuartigen optischen Komponenten anstatt der Verwendung von standardmäßig hergestellten Optiken könnte eine Reduktion der Größe, des Gewichts sowie der Kosten von optischen Systemen bedeuten.