Einem Forscherteam aus Frankreich ist es eigenen Angaben zufolge gelungen ein zuverlässiges 3D-Druckverfahren für den 3D-Druck komplexer Glasobjekte zu entwickeln. Ihr Ansatz basiert auf der Multiphotonenpolymerisation. Die Forscher gehen davon aus, dass ihr Verfahren für unterschiedliche Arten von 3D-Glasobjekten verwendet werden kann.

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Ein Team französischer Forscher hat ein laserbasiertes 3D-Druckverfahren für komplexe Teile aus Glas entwickelt. Es eignet sich für die Herstellung komplexer Optiken für Bild-, Bildgebungs-, Beleuchtungs- oder laserbasierte Anwendungen. In der Zeitschrift Optics Letters der Optical Society (OSA) stellten sie ihre Arbeit anhand detaillierter Quarzglasobjekte, Miniaturmodelle eines Fahrrads und des Eiffelturms vor. 2019 ist Forschern der ETH Zürich erstmals der Machbarkeitsbeweis von 3D-Druck von Glas gelungen.

Details zum 3D-Druckverfahren

Laurent Gallais, Leiter des Forschungsteams vom Fresnel Institut und der Ecole Centrale Marseille in Frankreich, erklärt:

„Die meisten 3D-Druckverfahren bauen Schicht für Schicht ein Objekt auf. Unser neues Verfahren vermeidet die Einschränkungen dieser Verfahren, indem ein Laserstrahl verwendet wird, um einen flüssigen Vorläufer in festes Glas umzuwandeln oder zu polymerisieren.“

Die Objekte wurden ohne den klassischen Schicht-für-Schicht-Ansatz ohne Poren und Risse angefertigt. Ihr Fertigungsansatz basiert auf der Multiphotonenpolymerisation. Bei der Polymerisation werden flüssige Monomermoleküle zu einem festen Polymer zusammengefügt. Die Polymerisation findet nur am genauen Laserschwerpunkt statt. Das Verfahren erlaubt Teile mit einer Größe von wenigen Mikrometern bis zu mehreren zehn Zentimetern bei einer Auflösung, die theoretisch nur durch die für die Laserstrahlformung verwendete Optik begrenzt ist.

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Das richtige Material

Ein Schicht-für-Schicht-Ansatz für 3D-Glasobjekte hat mehrere Einschränkungen. Die Druckgeschwindigkeit ist durch die Zeit zum Aufbau der Schichten begrenzt. Bei hochviskosen Harzen kann es schwierig sein, Schichten mit gleichmäßigen Dicken zu erzeugen. Für komplexe Objekte werden präzise positionierte Stützen benötigt.

Das Material muss sowohl während der anfänglichen flüssigen Phase als auch nach der Polymerisation bei der Wellenlänge des Lasers transparent sein. Um den Multiphotonen-Polymerisationsprozess zu initiieren, muss es auch das Laserlicht bei der halben Laserwellenlänge absorbieren.
Die Forscher verwendeten eine Mischung mit einem photochemischen Initiator. Diese sollte das Laserlicht, ein Harz und eine hohe Konzentration an Silica-Nanopartikeln absorbieren. Die hochviskose Mischung ermöglichte die Bildung eines 3D-Teils ohne Verformungsprobleme oder Träger.

Zu Testzwecken verwendeten sie ihren 3D-Druck-Ansatz, um aus den Silica-Nanopartikel-Gemischen ein festes Objekt mit komplexen Formen zu erzeugen. Ein Verfahren sollte die polymerisierten Teile in Glas umwandeln.

Gallais ergänzt:

„Unser Ansatz könnte möglicherweise zur Herstellung nahezu aller Arten von 3D-Glasobjekten verwendet werden. Zum Beispiel prüfen wir die Möglichkeit, Glasteile herzustellen, die für Luxusuhren oder Parfümflaschen verwendet werden können.“

Kostengünstigere Laserquellen und ein optimierter Prozess sollten die Technik einfacher und günstiger machen. Außerdem arbeiten sie an einer geringeren Rauheit und einer besseren Oberflächenqualität.

Video: Hier entsteht ein Miniatur-Fahrrad aus Glas mit 3D-Druck

Die Forscher stellten ihre Arbeit anhand winziger 3D-gedruckter Objekte aus Glas vor (Bild © Laurent Gallais, The Fresnel Institute und Ecole Centrale Marseille).

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