3D-Druck von Glas bei Raumtemperatur

Es gibt bereits verschiedene Ansätze, Glas in 3D zu drucken. Nun stellt das Lawrence Livermore National Laboratory LLNL ein weiteres Konzept vor, das den Grundstoff direkt bei Raumtemperatur aufträgt (Direct Ink Writing). Die Entwicklung könnte dazu beitragen, das Design und die Struktur von Lasern und anderen optischen Geräten zu verändern.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern am LLNL berichtet gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Minnesota  und der Oklahoma State University über die Erzeugung 3D-gedruckter transparenter Glaskomponenten in der aktuellen Ausgabe von Advanced Material vom 28. April. In diesem Beitrag beschreiben die Forscher eine 3D-Drucktechnik, die bisher in konventionellen Fertigungsverfahren nicht zu verwirklichende Glasstrukturen und Oberflächenverläufe ermöglicht.

Projektleiterin Rebecca Dylla-Spears erklärt, dass man nicht aus traditionellen Verfahren gewonnene optische Materialien ersetzen wolle, sondern vielmehr versuche, durch die additive Fertigung zu neuen Materialeigenschaften zu gelangen.

Drucken bei Raumtemperatur

Andere wissenschaftliche Institute haben bereits gezeigt, dass der 3D-Druck von Glas möglich ist. Sie basieren auf dem Aufbringen geschmolzener Glasfilamente durch einen beheizten Druckkopf oder auf dem Einsatz von Laser, um Glaspulver selektiv zu verschmelzen. Mit diesen Verfahren homogenisieren die Pulver und Filamente in der kurzen Zeit der Wärmeeinwirkung nicht vollständig, was zu porösen oder ungleichmäßigen, optischen Anwendungen abträglichen Strukturen führt.  

Der Ansatz des LLNL beruht nicht auf geschmolzenem Glas, vielmehr haben die Forscher maßgeschneiderte Druckflüssigkeiten geschaffen, die aus konzentrierten Suspensionen von Glaspartikeln mit hochgradig gesteuerten Fließeigenschaften gewonnen werden. Somit lassen sie sich bei Raumtemperatur drucken. Die gedruckten Komponenten unterliegen dann einer ausgefeilten thermischen Behandlung, um die Teile zu verdichten und die Spuren des Druckprozesses zu beseitigen. Am Ende erhalten die hergestellten Teile einen optischen Schliff. Das Konzept erhöhe die Chancen, optische Uniformität zu erreichen, so die Forscher.

Keine Poren und Linien

LLNL Materials Engineer Du Nguyen erklärt, dass man keine Poren und Linien sehen dürfe, das Glas müsse transparent sein, wenn es hohen Qualitätsanforderungen genügen solle. Dafür galt es, zahlreiche Materialmischungen auszuprobieren, um so die richtige Kombination zu finden. Nachdem das allgemeine Rezept dafür stand, konnte man das Material so optimieren, dass es sich während des Druckprozesses vermischte. Die meisten anderen Teams, die Glas drucken, schmelzen es zuerst und kühlen es dann herunter. Damit sei das Potential für Spannung und Brüche gegeben, so Nguyen weiter. Bei Raumtemperatur bestehe diese Gefahr weniger.

Die LLNL-Forscher nutzen für die Synthese des transparenten Glases im 3D-Druck eine Aufschlämmung aus Siliciumdioxid-Partikeln, die mit einem Verfahren namens Direct Ink Writing aufgepritzt werden. Das gedruckte Erzeugnis erscheint undurchsichtig, doch nach dem Trocknen und einer Wärmebehandlung wird es transparent. Anders als der 3D-Druck mit geschmolzenem Glas erfordert das Konzept keine hohen Temperaturen während des Drucks und erlaubt damit eine höhere Auflösung.

Unterschiedliche Brechungskoeffizienten

Die Arbeit könnte den Wissenschaftlern ermöglichen, Glas, das unterschiedliche Brechungskoeffizienten in sich vereint, in einer einzigen planen Optik zu vereinen. Spezielle Formen, um entsprechende optische Eigenschaften zu erzielen, wie bei Gläsern mit konstanter Zusammensetzung, würden sich erübrigen. Durch die Fähigkeit, die Zusammensetzung zu programmieren, seien die gedruckten Komponenten einfacher und kostengünstiger zu bearbeiten.

Der Schliff komplexer oder asphärischer Linsen sei sehr arbeitsaufwändig und erfordere ein hohes Maß an Können, so Nguyen, aber eine plane Oberfläche zu schleifen, sei wesentlich einfacher. Durch die Steuerung des Brechungskoeffizienten in den gedruckten Bauteilen ändere man die Lichtbeugung.

Traditionelle optische Geräte wollen die Wissenschaftler nicht ersetzen, sie wollen vielmehr neue Anwendungen mit gradienten Brechungsindizes durch variierende Glaszusammensetzungen erkunden, die derzeit noch nicht verfügbar sind. Das Entwerfen neuartiger optischer Komponenten könnte Größe, Gewicht oder Kosten des optischen Systems reduzieren helfen.

Anwendungen in der Mikrofluidik

Zudem könnten die Wissenschaftler Anwendungen in der Mikrofluidik vorstellen. Glas ist ein wegen siner Transparenz, chemischen Beständigkeit und mechanischen Eigenschaften hochgeschätztes Material für die Mikrofluidik. Doch es lasse sich schwer bearbeiten und ätzen, um die komplexen für mikrofluidische Anwendungen notwendigen Formen umzusetzen. Der 3D-Druck könnte dies ändern, und das Team hat den Druck eines einfachen mikrofluidischen Netzes zeigen können. Die nächste Hürde, die man nehmen will, sind Gradientenoptiken (GRIN), die noch mehr Einsichten in den Prozess und die Steuerung erforderten.

Das Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-Programm unterstützt die Studien. Zu den weiteren involvierten Wissenschaftlern gehören Timothy Yee, Nikola Dudukovic, Joel Destino, Cheng Zhu und Theodore Baumann, zusammen mit Cameron Meyers von der University of Minnesota, und James Smay von der Oklahoma State University.