13.04.2021 - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Spritzguss von Glas

Forschern und Start-up gelingt schnelle, kostengünstige und umweltfreundliche Materialfertigung

Von Hightech-Produkten im Bereich Optik, Telekommunikation, Chemie und Medizin bis hin zu alltäglichen Gegenständen wie Flaschen und Fenstern – Glas ist allgegenwärtig. Die Formgebung von Glas beruht jedoch hauptsächlich auf Prozessen wie dem Schmelzen, Schleifen oder Ätzen. Diese Prozesse sind jahrzehntealt, technologisch anspruchsvoll, energieintensiv und im Hinblick auf die realisierbaren Formen stark eingeschränkt. Ein Team um Prof. Dr. Bastian E. Rapp von der Professur für Prozesstechnologie am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg hat in Zusammenarbeit mit dem Freiburger Start-up Glassomer ein Verfahren entwickelt, welches es erstmals ermöglicht, Glas einfach, schnell und in nahezu beliebigen Formen mittels Spritzguss zu formen.

„Seit Jahrzehnten sind Gläser oft zweite Wahl bei der Materialfrage in Herstellungsprozessen, da ihre Formgebung zu kompliziert, energieintensiv und ungeeignet ist, hochaufgelöste Strukturen herzustellen“, erklärt Rapp. „Kunststoffe hingegen erlauben all dies, jedoch sind ihre physikalischen, optischen, chemischen und thermischen Eigenschaften Gläsern unterlegen. wir haben die Kunststoff- und die Glasverarbeitung miteinander verbunden. Mit unserem Verfahren werden wir sowohl Massenprodukte als auch komplexe Kunststoffstrukturen und -bauteile schnell und kostengünstig durch Glas ersetzen können.“

Spritzguss ist das wichtigste Verfahren in der Kunststoffindustrie und ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung von Bauteilen im sogenannten Hochdurchsatz in nahezu beliebigen Formen und Größen. Transparente Gläser konnten bislang nicht in diesem Verfahren geformt werden. Mit der neu entwickelten Glassomer-Spritzgusstechnologie aus einem selbstentworfenen speziellen Granulat ist es nun möglich, Gläser ebenfalls im Hochdurchsatz bei nur 130 °C zu formen. Die spritzgegossenen Komponenten aus dem 3D-Drucker werden anschließend in einer Wärmebehandlung in Glas umgewandelt: Das Resultat ist reines Quarzglas. Dieser Prozess benötigt weniger Energie als das herkömmliche Glasschmelzen, wodurch mit ihm Energie eingespart werden kann. Die resultierenden Glasbauteile weisen eine hohe Oberflächengüte auf, so dass Nachbehandlungsschritte, wie zum Beispiel das Polieren, nicht erforderlich sind.

Die neuartigen Designs, welche durch die Glasspritzgusstechnologie von Glassomer ermöglicht werden, haben ein breites Anwendungsspektrum von Datentechnologie, Optik und Solartechnik bis hin zu einem so genannten Lab-on-a-Chip und Medizintechnik. „Wir sehen großes Potenzial insbesondere für kleine Hightech-Glaskomponenten mit komplizierten Geometrien. Neben der Transparenz macht auch der sehr geringe Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas diese Technologie interessant. Sensoren und Optiken arbeiten bei jeder Temperatur zuverlässig, wenn die Schlüsselkomponenten aus Glas bestehen“ erklärt Dr. Frederik Kotz, Gruppenleiter an der Professur für Prozesstechnologie und wissenschaftlicher Leiter von Glassomer. „Wir haben zudem zeigen können, dass mikrooptische Glasbeschichtungen den Wirkungsgrad von Solarzellen steigern können. Mit dieser Technologie können jetzt kostengünstige Hightech-Beschichtungen mit hoher thermischer Stabilität hergestellt werden. In der Industrie gibt es dafür eine Vielzahl von Möglichkeiten“.

Das Team um Frederik Kotz und Markus Mader, Doktorand der Professur für Prozesstechnologie, lösten bisher bestehende Probleme beim Spritzguss von Glas wie Porosität und Partikelabrieb. Darüber hinaus wurden wichtige Prozessschritte des neuen Verfahrens auf Wasser als Basismaterial ausgelegt, wodurch die Technologie umweltfreundlicher und nachhaltiger wird.

Bastian Rapp ist geschäftsführender Direktor des Freiburger Materialforschungszentrums FMF und Mitglied im Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg, das neuartige, bioinspirierte Materialsysteme entwickelt. Rapp ist darüber hinaus Mitgründer und Chief Technical Officer (CTO) der Glassomer GmbH, die hochauflösende 3D-Drucktechnologien für Glas entwickelt. Für seine Forschung wurde er u.a. mit einem Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) ausgezeichnet.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • 3D-Druck
  • Hochdurchsatzverfahren
Mehr über Uni Freiburg
  • News

    Entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Biomasse in Methan identifiziert

    Die mikrobielle Produktion von Methan aus organischem Material ist ein wesentlicher Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf und eine wichtige Quelle für erneuerbare Energie. Dieser natürliche Vorgang beruht auf einer kooperativen Interaktion zwischen unterschiedlichen Mikroorganismen-Typen ... mehr

    „Regenbogen-Grafiken sind schön, aber für die Wissenschaft nicht geeignet“

    Bunte Karten und Abbildungen mit regenbogenfarbigen Verläufen aus wissenschaftlichen Arbeiten dienen oft als Hingucker in Zeitschriften und werden in den sozialen Medien gerne geteilt. Hydrologe Dr. Michael Stölzle vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg ... mehr

    Belastungen in Kunststoffen und Bauteilen sichtbar machen

    Einem Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Michael Sommer, Inhaber der Professur Polymerchemie der Technischen Universität Chemnitz und  PD Dr. Michael Walter, Projektleiter am Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Albert-Ludwigs-Unive ... mehr

  • q&more Artikel

    Modulare Biofabriken auf Zellebene

    Der „gebürtige Bioorganiker“ hatte sich bei seiner Vorliebe für komplexe Molekülarchitekturen nie die klassische Einteilung von synthetischen Polymeren und biologischen Makromolekülen zu eigen gemacht. Moleküle sind nun mal aus Atomen zusammengesetzt, die einen wie die anderen, warum da ein ... mehr

    Lesezeichen

    Aus einer pluripotenten Stammzelle kann sowohl eine Muskel- als auch eine Leberzelle entstehen, die trotz ihres unterschiedlichen Erscheinungsbildes genetisch identisch sind. Aus ein und demselben ­Genotyp können also verschiedene Phänotypen entstehen – die Epigenetik macht es möglich! Sie ... mehr

  • Autoren

    Dr. Stefan Schiller

    Stefan M. Schiller, Jg. 1971, studierte Chemie mit Schwerpunkt Makromolekulare und Biochemie in Gießen, Mainz und an der University of Massachusetts. Er promovierte bis 2003 am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz über biomimetische Membransysteme, es folgten Forschungsaufentha ... mehr

    Julia M. Wagner

    Julia M. Wagner studierte Pharmazie in Freiburg (Approbation 2008). Seit 2008 ist sie Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis von Professor Dr. M. Jung. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der zellulären Wirkung von Histon-Desacetylase-Inhibitoren. mehr

    Prof. Dr. Manfred Jung

    Manfred Jung hat an der Universität Marburg Pharmazie studiert (Approbation 1990) und wurde dort in pharmazeutischer Chemie bei W. Hanefeld promoviert. Nach einem Postdoktorat an der Universität Ottawa, Kanada begann er 1994 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Münster mit ... mehr

Mehr über Glassomer
  • Firmen

    Glassomer GmbH

    Die Strukturierung von Glas ist anspruchsvoll und erfordert in der Regel hohe Temperaturen zur Formung einer Glasschmelze oder aggressive Chemikalien zum Ätzen von Mikrostrukturen. Glassomer ist ein Siliziumdioxid-Nanokomposit, das als Flüssigkeit oder als Feststoff vorliegt. Als Flüssigkei ... mehr