Glas ist für viele Hightech-Anwendungen relevant: es ist transparent und stabil bei Kontakt mit Hitze oder Chemikalien. Nur ist die Formgebung oft langwierig, energieintensiv und stößt bei kleinen und komplizierten Bauteilen schnell an Grenzen. Die Freiburger Materialwissenschaftler Dr. Frederik Kotz-Helmer und Prof. Dr. Bastian E. Rapp haben in Kooperation mit der University of California in Berkeley/USA nun ein neuartiges Mikro-3D-Druck-Verfahren entwickelt. Damit lassen sich sehr kleine Bauteile aus transparentem Glas schnell und präzise herstellen. Als mögliche Anwendungen nennen sie etwa Komponenten von Sensoren und Mikroskopen, aber auch von Lab-on-a-Chip-Systemen.
Spezielles Glassomer-Material für den 3D-Druck
Die Technologie basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die Kotz-Helmer und Rapp am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt haben. „Glassomer-Materialien bestehen aus Glaspulver in einem speziellen Kunststoff-Binder“, sagt Kotz-Helmer, „so lässt sich Glas wie Kunststoff bearbeiten.“ Die so entstehenden Komponenten kommen anschließend in einen Ofen, wo der Kunststoff verbrennt und das Glas gesintert, also verdichtet wird. „Am Ende bestehen die Bauteile aus einhundert Prozent hoch transparentem Quarzglas“, sagt Kotz-Helmer.
Glassomer-Materialien kombinierten die Freiburger Wissenschaftler nun mit einem neuen 3D-Druckverfahren, das von einem Forschungsteam um Prof. Dr. Hayden Taylor von der University of California entwickelt wurde. Herkömmliche 3D-Printer drucken ihre Objekte Schicht für Schicht – bei dem neuen, Computed Axial Lithography (CAL) genannten Verfahren entsteht das Bauteil dagegen in einem einzigen Schritt.
Ein Gefäß mit flüssigem, lichtempfindlichen Material wird hierfür aus vielen verschiedenen Winkeln mit zweidimensionalen Lichtbildern des zu druckenden Objekts belichtet. Wo die Bilder sich überschneiden und die absorbierte Lichtmenge dadurch lokal einen gewissen Schwellwert überschreitet, härtet das Material schlagartig aus – innerhalb weniger Minuten ist das Bauteil geformt. Das überschüssige, noch flüssige Material kann abgewaschen werden.
Computed Axial Lithography (CAL): Strukturen mit der Dicke eines Haares erzeuge
„Dieses Verfahren funktioniert grundsätzlich auch mit Glassomer-Material“, sagt Kotz-Helmer. Die Freiburger entwickelten hierfür ein Material aus Glaspulver und Kunststoff, das sowohl sehr lichtdurchlässig ist als auch bei einem geeigneten Schwellwert schnell aushärtet.
„Hier steckte der Teufel im chemischen Detail“, sagt der Materialwissenschaftler. Bisher sei das Verfahren auch nur für relativ grobe Strukturen geeignet gewesen. Aber nun sei es gelungen, Technologien zu vereinen und zu verbessern: Daran haben die Materialwissenschaftler der Universität Freiburg und des Projektpartners Glassomer GmbH – eine Freiburger Ausgründung – sowie die Experten für Anlagentechnik an der University of California gearbeitet. Kotz-Helmer: „Wir konnten erstmals in wenigen Minuten Glas mit Strukturen im Bereich von 50 Mikrometer drucken.“ Das entspricht etwa der Dicke eines Haares. Außerdem seien die Oberflächen der Bauteile glatter als bei herkömmlichen 3D-Druck-Verfahren.
Glas im 3D-Druck als Ersatz für anfälligen Kunststoff
Mögliche Anwendungen des innovativen Herstellungsverfahrens sieht Kotz-Helmer zum Beispiel in mikrooptischen Komponenten von Sensoren, Virtual-Reality-Headsets und modernen Mikroskopen: „Die Möglichkeit, solche Komponenten mit hoher Geschwindigkeit und großer geometrischer Freiheit herzustellen, wird in Zukunft neue Funktionen und kostengünstigere Produkte ermöglichen.“
Für so genannte Lab-on-a-Chip-Systeme für Forschung und medizinische Diagnostik werden mikroskopisch kleinen Flüssigkeitskanäle benötigt. Diese bestehen bisher meist aus Kunststoffen, die hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien aber oft nicht standhalten. Durch die neue Prozesstechnik lassen sich nun auch komplexe Kanalsysteme in Glas herstellen, sagt Kotz-Helmer: „Dank der thermischen und chemischen Stabilität von Glas eröffnen sich viele neue Anwendungsfelder, insbesondere im Bereich der chemischen On-a-Chip-Synthese.“
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Frederik Kotz-Helmer
Professur für Prozesstechnologie, Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
E-Mail: frederik.kotz@imtek.de
