Neuartiges Verfahren für den 3D-Druck von Quarzglas

Die UpNano GmbH (Wien) hat ein neuartiges Herstellungsverfahren für 3D-gedruckte Objekte aus Quarzglas mitentwickelt. Diese innovative Technologie ermöglicht die Herstellung von hochpräzisen Formteilen im mm- und cm-Bereich.

Das Verfahren basiert auf einer Innovation der Glassomer GmbH (Freiburg) und wurde für den 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) unter Verwendung der hochauflösenden NanoOne-Drucker von UpNano modifiziert. Dies sind die schnellsten kommerziell erhältlichen 2PP 3D-Drucker auf dem Markt, die über 15 Größenordnungen drucken.

Die Herstellung winziger und komplexer 3D-Objekte aus Glas ist ein anspruchsvoller Prozess. Dies gilt umso mehr, wenn das benötigte Material hochwertiges Quarzglas (SiO₂) sein soll, das einen außergewöhnlich hohen Schmelzpunkt hat. Die bisher einzigen möglichen Methoden basieren auf nicht kommerziell erhältlichen Geräten und umfassen das Schmelzen von Glasfasern mit Laserstrahlen oder das Fused Deposition Modeling zur Herstellung von normalem Glas.

Diese Methoden führen häufig zu Endprodukten mit rauen Oberflächen, die unerwünscht sind. Jetzt haben UpNano und Glassomer ein schnelles 3D-Druckverfahren entwickelt, um glatte Quarzglasbauteile im mm- und cm-Bereich mit Strukturen, die sogar im μm-Bereich liegen können, herzustellen.

Drei Schritte voraus...

"Es handelt sich um einen Prozess in drei Schritten", erklärt Markus Lunzer, Teamleiter von Materials & Application bei UpNano. "Der erste Schritt besteht darin, die gewünschte Struktur zu entwerfen und zu drucken und dabei alle Vorteile des 2PP 3D-Drucks zu nutzen. Der zweite Schritt ist das Entfernen des organischen Bindematerials, gefolgt von einem Hochtemperatur-Sinterprozess, dem dritten Schritt." Das Herzstück ist ein neu entwickeltes Nanokomposit: "UpQuartz". Es enthält neben SiO₂-Nanopartikeln eine speziell entwickelte Polymermatrix, die den 2PP 3D-Druck des Komposits überhaupt erst ermöglicht. Durch den Druckvorgang entsteht ein "grünes Teil", das bereits die Form der endgültigen und gewünschten Struktur hat. Um am Ende das Quarzglasprodukt zu erhalten, muss die Polymermatrix entfernt werden.

Dies wird durch Erhitzen des grünen Teils auf 600 °C erzielt und ein "braunes Teil" bleibt zurück. Dies hat bereits die gewünschte Form des Endprodukts und besteht nur aus SiO₂. Dieses braune Teil wird dann bei 1.300 °C gesintert. Während der Nachbearbeitung erfährt das Objekt eine isotrope Schrumpfung von etwa 30 %. Dies kann durch ein entsprechendes Upscaling des grünen Teils mithilfe der UpNano-Software leicht kompensiert werden.

"Dieses von uns entwickelte innovative Produktionsverfahren", so Markus Lunzer, "eignet sich ideal für größere 3D-gedruckte Glasteile, die eine hohe Auflösung und Präzision erfordern, in den Bereichen Maschinenbau, Chemie, Medizin oder Forschung." Quarzglas bietet hervorragende optische Eigenschaften, ist biokompatibel, chemisch inert und außerordentlich hitzebeständig, was es zu einem idealen Material für eine breite Palette von Anwendungen macht.

Nachdem UpNano bereits vor kurzem erfolgreich die Materialprüfung von 2PP 3D-gedruckten Teilen mit UpNano-Druckern und -Harzen für makroskopische Prüfkörper vorangetrieben hat, stellt diese neue Entwicklung nun erneut einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf das Potenzial des 2PP 3D-Drucks dar. Darüber hinaus wurden die Drucker des Unternehmens kürzlich eingesetzt, um einen bedeutenden Meilenstein im 2PP 3D-Druck zu erreichen: Dabei konnten ganzheitlich eingebettete mikrofluidische Chips sowie Wolfram- und Platin-Mikrostrukturen mit (sub-)μm-Auflösung hergestellt werden.

Die Entwicklung der Methode zur Herstellung von Quarzglasobjekten mittels 2PP 3D-Drucks war ein gemeinsames Projekt von UpNano und Glassomer. Das deutsche Unternehmen hat bereits zuvor die Herstellung von Quarzglasobjekten durch den Einsatz von Technologien wie Softlithographie, Spritzguss und konventionellem 3D-Druck ermöglicht. Die gemeinsame Entwicklung von UpQuartz ermöglicht indessen auch den Einsatz des hochpräzisen 2PP 3D-Drucks.

... mit Innovationskapital

Diese Reihe von Entwicklungen ist ein Beispiel für das Innovationskapital von UpNano auf dem hart umkämpften Markt der 2PP 3D-Drucker, das durch den anhaltenden und wachsenden kommerziellen Erfolg der NanoOne-Druckerreihe ergänzt wird. So stieg der Umsatz im Jahr 2023 gegenüber dem Vorjahr um 57 %, und die Kunden finden sich inzwischen auf fünf Kontinenten. Alle NanoOne-Drucker sind mit der patentierten adaptiven Auflösungstechnologie ausgestattet, mit der der Laserstrahl für jedes beliebige Objektiv um den Faktor 10 erweitert werden kann.

Ein kürzlich durchgeführtes Software-Update hat auch das nahtlose Stitching ermöglicht, und angesichts aller verfügbaren Module gilt die NanoOne-Druckerreihe jetzt als die vielseitigste und schnellste auf dem Markt. "Die Geschwindigkeit, die Auflösung und die Vielseitigkeit unserer Drucker machen sie zu leistungsstarken Werkzeugen für die Massenproduktion von hochpräzisen Teilen. Unser ständig wachsendes Angebot an Materialien erweitert das Anwendungsspektrum. Zu gegebener Zeit werden wir auch bald unser Dienstleistungsangebot erweitern", ergänzt Bernhard Küenburg, Geschäftsführer von UpNano.

Quelle: PR&D - Public Relations for Research & Development / UpNano GmbH