Kieler Forscher entwickeln 3D-Druckverfahren für Glas

Ein Team aus Kiel hat ein neues 3D-Druck-Verfahren für Glas entwickelt. Nach Angaben der Forscher vereinfacht es die Verarbeitung von Glas deutlich, da ein aufgebautes Werkstück nicht mehr gehärtet werden muss.

Laser-assistiertes Schmelzdrucken (Laser-Assisted Melt Printing, LAMP) nennen die Materialforscher von der Kieler Christian-Albrechts-Universität das Verfahren. Dabei kommt eine spezielle Partikeltinte auf Silica-Basis zum Einsatz. Ein hochenergetischer Laser verschmilzt die Partikel zu einem gläsernen Werkstück.

Einige Parameter können während des Drucks angepasst werden: „LAMP erlaubt es, die physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Glätte, Farbe und Transparenz bereits während des Drucks zu steuern“, sagt Projektleiter Leonard Siebert.

Zähflüssige Tinte mit Silikatpartikeln

Die Tinte enthält etwa zehn Prozent Silikatpartikel mit einem Durchmesser von 40 Nanometern sowie 43 Prozent Borsilikatpartikel mit einem Durchmesser von 40 Mikrometern. Die Partikel werden in eine Lösung aus Wasser, dem Bindemittel Polyethylenglykol und einem geringen Teil Essigsäure gerührt. So entsteht eine zähflüssige Flüssigkeit, die dann mit dem 3D-Drucker verarbeitet werden kann.

Die Tinte wird schichtweise auf eine Druckplatte ausgebracht. Ein Laser verschmilzt die Tinte mit der Schicht darunter. So entstünden „glatte, dichte Strukturen ohne Lufteinschlüsse“, teilte die Forscher mit. Messungen mit dem Elektronenmikroskop und dem Spektroskop hätten gezeigt, dass das Material vollständig verdichtet war. Über Laserleistung und Schreibgeschwindigkeit lassen sich dabei Farbe und Transparenz des Glases modifizieren.

Zudem können die Forscher die optischen Eigenschaften ändern, indem sie der Tinte Gold- und Silberionen zusetzen, die beim Drucken zu Metallnanopartikeln werden. „Diese Nanopartikel wirken wie winzige Filter: Sie lassen nur bestimmte Wellenlängen durch und blockieren andere“, sagte Teammitglied Kolja Krohne.

Partikelgröße bestimmt Farbe

Dabei bestimmt die Größe der Partikel, welche Lichtfarben absorbiert oder gestreut werden: Kleine Partikel verschieben die Farbe ins Blaue, größere ins Rote. So können beispielsweise Filter gedruckt werden, die nur Licht mit einer bestimmten Farbe durchlassen.

Es ist nicht das erst 3D-Druckverfahren mit Glas. Bei den bisherigen Verfahren muss das Werkstück normalerweise nach dem Druck jedoch noch in einem Brennofen gehärtet werden, was mehrere Stunden dauert und einen hohen Energieaufwand erfordert.

Für die Studie, die in der Fachzeitschrift Materials & Design erschienen ist, hat das Team um Siebert mit Glas gedruckt. Allerdings ließen sich auf diese Weise auch andere Materialien verarbeiten, sagen sie. Dabei denken sie vor allem an Keramik.

„Bei herkömmlichen Verfahren müssen Keramiken meist in Öfen bei weit über 1000 Grad Celsius gebrannt werden. Das verbraucht viel Energie, dauert lange, setzt die Bauteile starken Spannungen aus und erschwert die Herstellung filigraner oder patientenspezifischer Implantate“, sagt Siebert. Das sei mit LAMP nicht der Fall. Mit diesem Verfahren könnten sich in Zukunft beispielsweise Zahn- oder Knochenimplantate herstellen lassen.

(wpl)