Brillant in Form Quarzglasteile jetzt präzise per 3D-Drucker herstellen

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Die Upnano GmbH aus Wien hat ein neuartiges Herstellungsverfahren für 3D-gedruckte Objekte aus Quarzglas mitentwickelt ...

Diese innovative additive Fertigungsmöglichkeit erlaubt nun die Herstellung von hochpräzisen Formteilen im Millimeter- und Zentimeterbereich. Vor rund fünf Jahren gab es bereits einen ähnlichen Bericht von der ETH Zürich. Doch die damals nach dem Prinzip der Stereolithografie gitterartig gedruckten Glasteile waren geometrisch noch nicht sehr präzise. Das neue Verfahren basiert nun auf einer Innovation der Glassomer GmbH aus Freiburg. Es wurde für den 3D-Druck mittels 2-Photonen-Polymerisation (2PP) mithilfe eines hochauflösenden Nanoone-Druckers von Upnano modifiziert. Dabei handle es sich um die schnellsten kommerziell erhältlichen 2PP-3D-Drucker am Markt, die über 15 Größenordnungen drucken – also mehr als alle anderen Drucker.

Kleine Quarzglaskomponenten mit glatten Oberflächen drucken

Die Herstellung winziger und komplexer 3D-Objekte aus Glas ist laut Aussage der Österreicher aber ein anspruchsvoller Prozess. Das gelte umso mehr, wenn das benötigte Material hochwertiges Quarzglas (SiO₂) sein soll. Denn das Material hat einen außergewöhnlich hohen Schmelzpunkt mit Blick auf den Druck von Bauteilen. Die bisher einzigen möglichen Methoden basieren deshalb auf nicht kommerziell erhältlichen Geräten, die das Schmelzen von Glasfasern mit Laserstrahlen können. Auch gibt es das Fused Deposition Modeling zur Herstellung von normalem Glas. Diese Methoden führten aber häufig zu Endprodukten mit rauen Oberflächen, die nicht selten unerwünscht sind. Jetzt haben Upnano und Glassomer aber also ein schnelles 3D-Druckverfahren entwickelt, um glatte Quarzglasbauteile mit Strukturen additiv zu fertigen, die sogar im Mikrometerbereich liegen können, wie man betont.

Quarzglasdruck ähnelt durchaus der Keramikteilfertigung

Es handelt sich um einen Prozess in drei Schritten, erklärt Markus Lunzer, Teamleiter von Materials & Application bei Upnano. Der erste Schritt bestehe darin, die gewünschte Struktur zu entwerfen und zu drucken, wobei alle genannten Vorteile des 2PP-3D-Drucks zu nutzen seien. Dann wird das organische Bindematerial entfernt. Es gefolgt als dritter Schritt ein Hochtemperatur-Sinterprozess, erklärt Lunzer. Das wichtigste Element beim Quarzglasdruck ist ein neu entwickeltes Nanokomposit „UpQuartz“. Es enthält neben SiO₂-Nanopartikeln eine speziell entwickelte Kunststoffmatrix, die den 2PP-3D-Druck des Composits überhaupt erst ermöglicht. heißt es. Durch den Druckvorgang entsteht, ähnlich wie bei der Keramikherstellung, 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. Das wird durch Erhitzen des grünen Teils auf 600 °C erreicht, wobei ein sogenanntes „braunes Teil” übrigbleibt. Das ist dem Endprodukt schon sehr ähnlich und besteht nur aus SiO₂. Dieses Teil wird schließlich bei 1.300 °C gesintert. Während der Nachbearbeitung schrumpft das Bauteil isotrop um etwa 30 Prozent, was zuvor durch ein entsprechendes Upscaling des „grünen Teils“ mithilfe der Upnano-Software leicht kompensiert werden kann. Am Ende liegt das gedruckte Quarzglasteil in den Wunschmaßen vor.

Vor allem können auch große Glasteile präzise gedruckt werden

Das Verfahren zum Quarzglasdruck eigne sich auch ideal für größere 3D-gedruckte Glasteile, die eine hohe Auflösung und Präzision erfordern. Solche Forderungen stellt etwa der Maschinenbau sowie die Chemie, die Medizin oder die Forschung, heißt es. Quarzglas bietet dafür hervorragende optische Eigenschaften, ist biokompatibel, chemisch inert. Hinz kommt eben noch die außerordentlich Hitzebeständigkeit, 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, wie Lunzer betont. Darüber hinaus wurden die Drucker des Unternehmens kürzlich eingesetzt, um einen bedeutenden Meilenstein zu erreichen – die Herstellung ganzheitlich eingebetteter mikrofluidischer Chips sowie Mikrostrukturen aus Wolfram und Platin mit einer Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich.

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