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28. Februar 2020 · Was mit Kunststoffen, Metallen und Stammzellen schon lange geht, lässt sich nun auch für Glas nutzen. Wie die additive Fertigung die Verarbeitung des uralten Werkstoffs revolutioniert.

Glas ist ein uralter Werkstoff. Schon im alten Ägypten vor 4000 Jahren wusste man, Kalk, Sand und Natron zu einem festen, transparenten Material zu verschmelzen. Und noch heute werden die meisten Fenstergläser und Glasgefäße nach ähnlichen Rezepturen hergestellt. Indem man die chemische Zusammensetzung variiert und der Schmelze Zusatzstoffe beimischt, können Farbe, Härtegrad, thermische und chemische Beständigkeit sowie Brechungsindex oder optische Transparenz gezielt verändert werden. Allein für optische Anwendungen – wie Kameras, Brillen, Laser- und Spiegelsysteme oder Mikroskope – existieren mehrere hundert Spezialgläser mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Zwar ist Glas auch in der Mikrooptik gefragt. Weil man kleine Gläser gewöhnlich aber nur durch Ätzen oder Schleifen erhält, stößt man bei der Formgebung und Strukturierung des Materials schnell an Grenzen. Deshalb gibt man in vielen Anwendungen Kunststoffen den Vorzug, obwohl Glas die klar bessere Wahl wäre. So bestehen in vielen Smartphones die Linsen der eingebauten Kameras aus Kunststoff statt aus Quarzglas.

Doch das dürfte sich bald ändern. Denn Wissenschaftler und Ingenieure haben gelernt, Glas trotz des hohen Schmelzpunkts und seiner besonderen Materialeigenschaften für die additive Fertigung – auch 3D-Druck genannt – nutzbar zu machen. Dadurch haben sich für das Design und die Strukturierung von Glas völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

Was für Kunststoffe und viele Metalle längst gängige Praxis ist, hat sich für Glas als schwieriges Unterfangen erwiesen. Glas lässt sich nicht ohne Weiteres als selbsthärtende Paste oder in flüssiger Form auf eine Oberfläche sprühen und mit einem Laserstrahl lithographisch modellieren. Zwar gab es in der Vergangenheit immer wieder Ansätze, Glas in Pulverform oder im geschmolzenen Zustand zu drucken. Das führte aber meist dazu, dass es porös wurde und sich eintrübte und damit unbrauchbar war.

Die ersten, die es schafften, transparentes Glas additiv (also Schicht für Schicht) zu verarbeiten, waren amerikanische Wissenschaftler vom Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge vor vier Jahren. Neri Oxman und ihre Kollegen schmolzen Glaspulver mit einem niedrigen Schmelzpunkt in einem Ofen und pressten das zähflüssige Material durch eine dünne bewegliche Düse auf eine heiße Oberfläche. Nach einem vorgegebenen Computermodell formte sich Schicht für Schicht das gewünschte Glasobjekt. Die auf diese Weise erreichbaren Schichtdicken und Detailgrößen belaufen sich auf wenige Millimeter. Das Verfahren nutzen Oxman und ihre Kollegen deshalb vor allem zur Herstellung kunstvoll geformter Gefäße und jüngst auch für größere Lampenschirme, jedoch weniger für technische Anwendungen.

Kleinere Details erreicht man mit einem intensiven Infrarotlaser, der auf das Ende einer dünnen Glasfaser gerichtet wird. Das aufgeschmolzene Glas tropft auf eine Unterlage und erstarrt. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine Auflösung von gut einem halben Millimeter. Im Zuge des Schmelzprozesses verlaufen jedoch häufig die feinen Konturen der Bauteile.

Deutlich filigraner sind dagegen die Objekte aus Quarzglas, die Wissenschaftler um Bastian Rapp und Frederik Kotz vom NeptunLab der Universität Freiburg gemeinsam mit Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie bei Raumtemperatur drucken können. Der Weg über eine Glasschmelze entfällt. Möglich ist das dank eines lichtempfindlichen Kompositmaterials, in dem winzige Quarzglaskügelchen wie in einer Matrix gleichmäßig verteilt sind. Das Material lässt sich wie ein Kunstharz additiv verarbeiten. „Unser Kompositmaterial hat den großen Vorteil, dass es mit einem gewöhnlichen 3D-Drucker in jede beliebige Form gebracht werden kann und das bereits bei Raumtemperatur“, sagt Frederik Kotz. Kotz hat die Rezeptur maßgeblich entwickelt und ist dafür im vergangenen Jahr mit dem Studienpreis der Körber-Stiftung ausgezeichnet worden.

Zum Drucken wird das flüssige Kunststoff-Quarz-Gemisch – die Forscher haben es wegen seiner polymerartigen Eigenschaften Glassomer getauft – mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Überall dort, wo das Licht auftrifft, werden chemische Reaktionen ausgelöst, die zum Aushärten des Materials führen. Eine Bauplattform zieht den gedruckten Rohling Schicht für Schicht aus der Wanne mit flüssigem Kunststoff heraus. Wo der Lichtstrahl den Kunststoff belichten soll, wird über einen Computer gesteuert. Ist der Rohling belichtet, wird der restliche, noch flüssige Kunststoff entfernt.

Danach kommt das gedruckte Kompositmaterial in den Ofen. Bei 600 Grad zersetzt sich die Kunststoffmatrix, und das verbliebene Quarzglaspulver wird bei 1300 Grad gleichmäßig verbacken. Das Ergebnis ist ein transparentes Objekt aus reinem Quarzglas. „Der Sinter-Prozess läuft weit unterhalb der Schmelztemperatur von Quarzglas ab“, erklärt Kotz. Im Zuge des Sinterns ist das Bauteil zwar um etwa 15 Prozent geschrumpft. Weil das in alle Raumrichtungen gleichmäßig erfolgt, bleibt die ursprüngliche Statur erhalten. „Das Defizit beheben wir dadurch, dass wir unsere Glassomer-Modelle von Anfang an entsprechend größer skalieren“, sagt Kotz. Das Verfahren ist besonders für die Herstellung kleiner Glasobjekte geeignet, die wenige Zentimeter oder Millimeter messen. Im Prinzip ließen sich zwar auch größere Gläser produzieren. Doch das Brennen im Ofen würde dann unverhältnismäßig viel Zeit benötigen.

Von der Qualität des verwendeten 3D-Druckers hängt es ab, wie fein die Strukturen der Glasbauteile werden. „Mit unserem Drucker Marke Eigenbau erreichen wir derzeit eine Auflösung von knapp einem Mikrometer“, sagt Kotz. Im Prinzip könne man einen halben Mikrometer erreichen, was etwa dem zehnfachen Durchmesser eines Quarzglaskügelchens entspricht. Dienten die ersten Objekte – eine gläserne Gläserburg und eine Bretzel – in erster Linie Demonstrationszwecken, so stehen heute Bauteile für die Mikrotechnik im Fokus: Linsen, Lichtwellenleiter oder mit feinen Kanälen strukturierte Glaser für die Mikrofluidik.

Die Forscher legen jetzt bereits beim Drucken fest, wo in ihrem Quarzglas die Kanäle verlaufen sollen, in denen später Chemiker und Biologen ihre winzigen Flüssigkeitsmengen dosieren, vermischen und analysieren. Dazu betten sie einzelne Polymerfäden in das Glassomer ein. Diese verflüchtigen sich beim Brennen zusammen mit dem Kompositmaterial. Zurück bleiben feine Kanäle im gesinterten Glasbauteil, wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Communication“ schreiben. Durch die gezielte Strukturierung der Polymerfäden mit einem Laserstrahl können mäandernde und spiralförmige Kanäle erzeugt werden mit Linienbreiten von bis zu sieben Mikrometern. Bislang war es nur über Ätzverfahren möglich, winzige Hohlräume und feine Kanäle dieser Größenordnung in Quarzgläsern zu erzeugen.

Die Forscher können ihre ausgehärteten Glassomer-Rohlinge zudem mechanisch bearbeiten, per Hand oder mit einer CNC Maschine. Nach dem Fräsen, Drehen oder Schneiden wird das Werkstück gesintert. So entstehen unter anderem Schrauben oder Muttern aus Quarzglas, aber auch Hochleistungslinsen für Smartphones.

„Uns war schnell klar, welches Potential in unserer Technik steckt“, sagt Kotz. Schon kurz nachdem die Forscher ihre Technik in der Zeitschrift „Nature“  publiziert hatten, seien viele Anfragen aus der Industrie gekommen. Neben Herstellern von Schmuck und Glasgefäßen zeigten insbesondere Optik-Firmen und Produzenten von Systemen für die Mikrosystemtechnik großes Interesse. „Wir ließen unser Verfahren patentieren und gründeten das Startup-Unternehmen Glassomer.“ Damit vermarkten die Forscher derzeit vor allem ihre Glassomere. Hersteller und Anwender von 3D-Drucktechnik können damit selbst ihre eigenen Bauteile herstellen.

Daneben loten die Forscher an der Universität Freiburg die Möglichkeiten ihres Verfahrens weiter aus. So geben sie dem flüssigen Glassomer Zusatzstoffe hinzu, um die Eigenschaften eines Glases gezielt zu verändern: So führen Metallsalze zur Verfärbung der Gläser, was sich für optische Filter nutzen lässt. Kotz und seine Kollegen können schnell überprüfen, ob eine bestimmte Glasmischung zum gewünschten Ergebnis geführt hat oder nicht. Die Entwicklung und Herstellung von Spezialgläsern über klassische Schmelzprozesse ist noch immer ein langwieriger und mühsamer Vorgang.

Inzwischen ist es auch anderen Forschergruppen gelungen, stabile transparente Gläser mit komplexen Formen zu drucken. Forscher um André Studart von der ETH-Zürich etwa vermischen ein spezielles Kunstharz mit einer organischen Siliziumverbindung – einem Siloxan. Beim Aushärten mit UV-Licht bilden sich Poren im Material, in denen sich die Siloxan-Moleküle einnisten. Die Porengröße können die Forscher mit der eingestrahlten Lichtintensität einstellen. Je intensiver das eingestrahlte Licht ist, desto kleiner werden die Poren und umso filigraner ist später das Glasbauteil, nachdem das Polymergerüst in einem Ofen verbrannt und das Siloxan verdichtet und in Glas verwandelt wurde.

Allerdings hat das Verfahren der Schweizer Forscher einen Nachteil. Beim Sintern schrumpfen die Bauteile um bis zu 90 Prozent. Deshalb sind die kunstvoll geformten 3D-Glasobjekte nicht viel größer als ein Spielwürfel. Große Glaskörper wie Fensterscheiben, Spiegel und Linsen oder Gefäße können Studart und seine Kollegen nicht additiv fertigen. Das bleibt wohl auch weiterhin den Glashütten oder den Glasherstellern mit ihren großen Anlagen vorbehalten.

Acht Meter im Durchmesser misst beispielsweise der größte jemals in einem Stück gefertigte Glasspiegel der Welt. Ingenieure der Glaswerke Schott in Mainz hatten ihn 1993 für das „Very Large Telescope“ (VLT) der europäischen Südsternwarte (Eso) gegossen, das in der chilenischen Atacama-Wüste seinen Sitz hat. Aber auch beim Weltmarktführer für Spezialglas und Glaskeramiken verfolgt man die jüngsten Entwicklungen beim 3D-Druck sehr genau und arbeitet auf dem Gebiet seit einiger Zeit mit diversen Forschungsinstituten und Unternehmen zusammen.

In Mainz stehen die additiven Fertigungstechnologien zur Herstellung eigener Produkte oder Komponenten jedoch nicht auf der Agenda. „In erster Linie sehen wir uns als Lieferant von Spezialmaterialien mit den für Glas typischen Eigenschaften in Pulver-, Stab- und Plattenform, die sich für den 3D-Druck eignen, aber auch dafür angepasst werden können,“ sagt Bernd Hoppe, Leiter für Laser- und Weiterbearbeitung in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Schott. Was das technische und wirtschaftliche Potential betrifft, betrachtet man bei Schott das Drucken von Glas mittelfristig eher als Ergänzung für die konventionellen Produktionstechniken, nicht als Ersatz. „Dabei muss auch ein Umdenken beim Design von Glasprodukten erfolgen, um der beim 3D-Druck typischen additiven Fertigung mit ihren Möglichkeiten gerecht zu werden.“

Dass man bei Schott durchaus auch Spezialgläser produzieren kann, die Anforderungen der Mikrotechnik erfüllen, zeigt das dünnste von Schott gefertigte Glas: Es ist dünner als ein menschliches Haar und lässt sich wie eine Folie rollen. Hergestellt wurde das Glas, das man beispielsweise für Displays faltbarer oder elastischer Smartphones verwenden kann, am Schott-Standort Grünenplan in Niedersachsen. Ob klassisch als Schmelze oder per Knopfdruck in einem 3D-Drucker – dank ausgeklügelter Techniken steht auch einem der ältesten Werkstoffe der Menschheit das Tor ins 21. Jahrhundert weit offen.

Glasverarbeitung 4.0: Gläserne Welten aus dem 3D-Drucker

Gläserne Welten aus dem 3D-Drucker

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