Glas aus dem 3D-Drucker

Glasobjekte mit einem 3D-​Druck­verfahren herzustellen, ist nicht einfach. Erst wenige Forschungs­gruppen weltweit haben versucht, Glas mithilfe additiver Verfahren zu produzieren. Einige davon schufen Objekte, indem sie geschmolzenes Glas ausdruckten. Das hat den Nachteil, dass dafür sehr hohe Temperaturen und hitze­beständige Apparaturen nötig sind. Andere verwendeten pulverförmige Keramik­partikel, die sich bei Raumtemperatur drucken und später zu Glas sintern lassen. Allerdings war die Komplexität der daraus gefertigten Objekte bisher eher gering. Forscher der ETH Zürich haben nun einen anderen Weg gewählt, um mit 3D-​Druck komplexe Glasobjekte herzu­stellen. Grundlage ihres neuen Verfahrens ist die Stereo­lithografie. Die Forscher David Moore, Lorenzo Barbera und Kunal Masania aus der Gruppe für Komplexe Materialien von André Studart entwickelten ein spezielles Harz. Dieses ist aus flüssigem Kunststoff und einem Siloxan zusammen­gesetzt.

Das Harz lässt sich mit einem kommerziell erhältlichen Stereo­lithografie­gerät verarbeiten. Dabei werden UV-​Licht­muster auf das Harz gestrahlt. Dort, wo das Licht auftrifft, wird das Harz hart. Dies geschieht deshalb, weil sich an den belichteten Stellen die beiden Harz­komponenten vollständig auftrennen: die Kunststoff­monomere formieren sich zu einem labyrinth­ähnlichen Polymergerüst, die Moleküle des Siloxans füllen die Zwischenräume des Labyrinths aus. Ein Objekt kann so Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dabei können die Forscher bei jeder Schicht verschiedene Parameter verändern, etwa die Poren­größe: Schwache Licht­intensität erzeugt grosse Poren, starke Einstrahlung kleine Poren. „Wir haben das per Zufall entdeckt, können es aber nutzen, um die Poren­größe in den Objekten gezielt zu verändern“, sagt Masania.

Ebenfalls schichtweise verändern können die Forscher die Mikro­struktur des Objekts, indem sie dem Harz auch Borat oder Phosphat beimengen. Dadurch lassen sich Objekte herstellen, die aus verschiedenen Glastypen aufgebaut sind. Einen so herge­stellten Rohling müssen die Forschenden anschließend bei zwei unter­schiedlichen Temperaturen brennen: Bei 600 Grad Celsius, um das Polymergerüst zu verbrennen, und anschließend bei rund 1000 Grad Celsius, um die Objekte zu Glas zu verdichten. Beim Brennen schrumpfen sie erheblich, werden aber transparent und hart wie Fensterglas.

Noch sind die 3D-​gedruckten Glas­objekte höchstens so groß wie ein Spielwürfel. Große Glasobjekte wie Flaschen, Gläser oder Fensterscheiben können auf diese Weise nicht erzeugt werden, was auch nicht das Ziel dieser Arbeit gewesen sei, betont Masania. Ziel sei vielmehr gewesen, den Machbarkeits­nachweis zu erbringen, dass man mit einem 3D-​Druck­verfahren Glas­gegenstände von komplexer Geometrie herstellen. Reine Spielerei ist die neue Technik dennoch nicht. Die Forscher meldeten sie zum Patent an und verhandeln derzeit mit einem Schweizer Glaswaren­händler, der die Technologie in seinem Unternehmen einsetzen möchte.

ETHZ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. G. Moore et al.: Three-dimensional printing of multicomponent glasses using phase-separating resins, Nat. Mat., online 11. November 2019; DOI: 10.1038/s41563-019-0525-y
• Arbeitsgruppe Komplexe Materialien (A. R. Studart), Eidgenössische Technische Hochschule Zürich