Forscher verwenden 3D-Drucker zum Drucken von Glas

Zum ersten Mal haben Forscher erfolgreich Chalcogenid-Glas mit 3D-Druck hergestellt, ein einzigartiges Material, das zur Herstellung optischer Komponenten verwendet wird, die im mittleren Infrarotbereich arbeiten. Die Möglichkeit, dieses Glas mit 3D-Druck zu drucken, könnte die Herstellung komplexer Glasbauteile und Glasfasern für neue Arten von kostengünstigen Sensoren, Telekommunikationskomponenten und biomedizinischen Geräten ermöglichen.

In der Zeitschrift Optical Materials Express der Optical Society (OSA) beschreiben Forscher des Centre d’Optique, Photonique et Laser (COPL) der kanadischen Université Laval, Patrick Larochelle und seine Kollegen, wie sie einen kommerziell erhältlichen 3D-Drucker für die Glasextrusion modifizierten. Die neue Methode basiert auf der üblicherweise verwendeten Methode der Fused Deposition Modeling, bei der ein Kunststofffaden geschmolzen und dann Schicht für Schicht extrudiert wird, um detaillierte 3D-Objekte zu erzeugen.

“Der 3D-Druck optischer Materialien wird den Weg für eine neue Ära des Entwerfens und Kombinierens von Materialien zur Herstellung der photonischen Komponenten und Fasern der Zukunft ebnen”, sagte Yannick Ledemi, Mitglied des Forschungsteams. “Diese neue Methode könnte möglicherweise zu einem Durchbruch für die effiziente Herstellung von infrarotoptischen Komponenten bei geringen Kosten führen.”

Chalkogenidglas erweicht bei einer im Vergleich zu anderen Gläsern relativ niedrigen Temperatur. Das Forschungsteam erhöhte daher die maximale Extrusionstemperatur eines kommerziellen 3D-Druckers von etwa 260 °C auf 330 °C, um die Chalcogenidglas-Extrusion zu ermöglichen. Sie stellten Chalcogenidglasfilamente mit Abmessungen her, die den handelsüblichen Plastikfilamenten ähnelten, die normalerweise mit dem 3D-Drucker verwendet werden. Schließlich wurde der Drucker so programmiert, dass er zwei Muster mit komplexen Formen und Abmessungen erstellt.

“Unser Ansatz eignet sich sehr gut für weiches Chalcogenidglas, aber auch alternative Druckmethoden werden für den Druck anderer Glassorten geprüft”, sagte Ledemi. „Dies könnte die Herstellung von Bauteilen aus mehreren Materialien ermöglichen. Glas könnte auch mit Polymeren mit speziellen elektrisch leitfähigen oder optischen Eigenschaften kombiniert werden, um multifunktionale 3D-gedruckte Geräte herzustellen.“

Der 3D-Druck wäre auch nützlich für die Herstellung von Faservorformlingen – einem Stück Glas, das zu einer Faser gezogen wird – mit komplexen Geometrien oder mehreren Materialien oder einer Kombination aus beiden. Wenn die Entwurfs- und Fertigungstechniken genau abgestimmt sind, sagen die Forscher, dass der 3D-Druck für die kostengünstige Herstellung von großen Mengen an Infrarot-Glasbauteilen oder Faservorformlingen verwendet werden könnte.

„3D-gedruckte Komponenten auf Chalcogenid-Basis wären für Infrarot-Wärmebildkameras für Verteidigungs- und Sicherheitsanwendungen nützlich“, so Ledemi weiter. “Sie würden auch Sensoren für die Überwachung von Schadstoffen, Biomedizin und andere Anwendungen ermöglichen, bei denen die chemische Signatur von Molekülen im Infrarotbereich zur Erkennung und Diagnose verwendet wird.”

Die Forscher arbeiten nun daran, das Design des Druckers zu verbessern, um seine Leistung zu steigern und die additive Fertigung komplexer Teile oder Bauteile aus Chalkogenidglas zu ermöglichen. Sie möchten auch neue Extruder hinzufügen, um das Co-Printing mit Polymeren für die Entwicklung von Multimaterialkomponenten zu ermöglichen.