Inno­va­ti­ves Ver­fah­ren ermög­licht 3D-Druck von klei­nen und kom­ple­xen Bauteilen

Wegen sei­ner Trans­pa­renz sowie der Sta­bi­li­tät beim Kon­takt mit Hit­ze oder Che­mi­ka­li­en ist Glas für vie­le High­tech-Anwen­dun­gen rele­vant. Her­kömm­li­che Ver­fah­ren zur Form­ge­bung von Glas sind aber oft lang­wie­rig, ener­gie­in­ten­siv und sto­ßen bei klei­nen und kom­pli­zier­ten Bau­tei­len schnell an ihre 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 ein neu­ar­ti­ges Ver­fah­ren ent­wi­ckelt, mit dem sich sehr klei­ne Bau­tei­le aus trans­pa­ren­tem Glas schnell und prä­zi­se per Mikro-3D-Druck her­stel­len las­sen. Mög­li­che Anwen­dun­gen sind etwa Kom­po­nen­ten von Sen­so­ren und Mikro­sko­pen, aber auch von Lab-on-a-Chip-Sys­te­men. Ihre Ergeb­nis­se konn­ten die For­schen­den in der aktu­el­len Aus­ga­be der renom­mier­ten Fach­zeit­schrift Sci­ence veröffentlichen.

Glas­pul­ver in Kunststoff-Binder

Die neue 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. So lässt sich Glas wie Kunst­stoff bear­bei­ten. Am Ende bestehen die Bau­tei­le aus ein­hun­dert Pro­zent hoch trans­pa­ren­tem Quarzglas.“
—  Dr. Fre­de­rik Kotz-Helmer

Bau­teil ent­steht in einem ein­zi­gen Schritt

Glas­so­mer-Mate­ria­li­en kom­bi­nier­ten die Frei­bur­ger Wissenschaftler*innen 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.

Struk­tu­ren mit der Dicke eines Haares

„Das Ver­fah­ren funk­tio­niert grund­sätz­lich auch mit die­sen Mate­ri­al“, sagt Kotz-Hel­mer. Die Frei­bur­ger Wissenschaftler*innen 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 außer­dem nur für rela­tiv gro­be Struk­tu­ren geeig­net gewesen.
Durch die Kom­bi­na­ti­on der mate­ri­al­wis­sen­schaft­li­chen Exper­ti­se an der Uni­ver­si­tät Frei­burg und des Pro­jekt­part­ners Glas­so­mer GmbH – eine Frei­bur­ger Aus­grün­dung – sowie der Wei­ter­ent­wick­lung der Anla­gen­tech­nik an der Uni­ver­si­ty of Cali­for­nia sei es jetzt gelun­gen, die­se Tech­no­lo­gien zu ver­ei­nen und zu ver­bes­sern, sagt 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 sind die Ober­flä­chen der Bau­tei­le glat­ter als bei her­kömm­li­chen 3D-Druck-Verfahren.“

Glas 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.“
Auch 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.“