27.11.2019 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Glas aus dem 3D-Drucker

ETH-​Forscher stellten mithilfe eines 3D-​Druckverfahrens komplexe und hochporöse Glasobjekte her. Die Grundlage dafür ist ein spezielles Harz, das sich mit UV-​Licht härten lässt.

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, eine der ersten 3D-​Drucktechniken aus den 1980er-​Jahren. Die Forscher David Moore, Lorenzo Barbera und Kunal Masania aus der Gruppe für Komplexe Materialien von ETH-​Professor André Studart entwickelten ein spezielles Harz. Dieses ist aus flüssigem Kunststoff und einem Siloxan zusammengesetzt.

Licht lässt das Objekt wachsen

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 Forscher 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.

Spezialanwendung im Visier

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.

Die Forscher haben auf ihr Verfahren ein Patent beantragt. Einen Interessenten für ihre Technik gibt es auch schon: ein Walliser Flaschenlieferant, der viele Weinbaubetriebe und Kellereien mit Glaswaren beliefert.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Stereolithografie
  • Siloxane
Mehr über ETH Zürich
  • News

    Eine neue Theorie für Halbleiter aus Nanokristallen

    ETH-​Forscher haben die erste theoretische Erklärung dafür geliefert, wie elektrischer Strom in Halbleitern aus Nanokristallen geleitet wird. Dadurch könnten in Zukunft neue Sensoren, Laser oder LEDs für Bildschirme entwickelt werden. Seit einigen Jahren kann man Fernsehapparate kaufen, in ... mehr

    Verteilung der Kettenlängen von Polymeren gezielt einstellen

    ETH-​Forscher entwickeln eine neue Methode, um kontrolliert Polymere von unterschiedlicher Länge zu erzeugen. Dies ebnet den Weg für neue Klassen von Kunststoffen, die in bisher undenkbaren Anwendungen eingesetzt werden können. Aus unserem Alltag sind Materialien aus synthetischen Polymeren ... mehr

    Überraschend starkes und verformbares Silizium

    Forscher der ETH Zürich und der Empa haben gezeigt, dass man aus Silizium kleinste Objekte herstellen kann, die deutlich fester und verformbarer sind als bisher gedacht. Dadurch können etwa Sensoren in Handys kleiner und robuster werden. Seit vor sechzig Jahren der Mosfet-​Transistor erfund ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr