21.04.2022 - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Neues Verfahren ermöglicht 3D-Druck von kleinen und komplexen Bauteilen aus Glas in wenigen Minuten

Mögliche Anwendungen der neuen Prozesstechnik sind mikrooptische Komponenten von Sensoren, Mikroskopen oder Lab-on-a-Chip-Systemen

Wegen seiner herausragenden 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 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“, sagt Kotz-Helmer, „so lässt sich Glas wie Kunststoff bearbeiten.“ Die dadurch entstehenden Komponenten kommen anschließend in einen Ofen, wodurch der Kunststoff verbrennt und das Glas gesintert, also verdichtet wird: „Am Ende bestehen die Bauteile aus einhundert Prozent hoch transparentem Quarzglas“, sagt 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

„Dieses Verfahren funktioniert grundsätzlich auch mit Glassomer-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.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Freiburg
  • News

    Neue Einblicke zu Anordnung und Mobilität von Molekülen auf Nanopartikel-Oberfläche

    Die Bindungskonfiguration von Molekülen mit einer Oberfläche ist von zentraler Rolle in chemischen Reaktionen. Die Möglichkeit, Bindungskonfigurationen in isolierten Nanosystemen zu untersuchen, ist deshalb von hohem Interesse. Einem Freiburger Forscherteam um Dr. Lukas Bruder und Prof. Dr. ... mehr

    Komplexe Wege beeinflussen Zeitverzögerung in der Ionisation von Molekülen

    Wie können Wissenschaftler*innen den Mechanismus der Photoionisation nutzen, um Einblicke in komplexe molekulare Potentiale zu gewinnen? Diese Frage hat ein Team um Prof. Dr. Giuseppe Sansone vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg nun beantworten können. Ihre Ergebnisse haben ... mehr

    Demonstration der Feshbach-Resonanzen zwischen einzelnem Ion und ultrakalten Atomen

    Ein Team um Prof. Dr. Tobias Schätz, Professor für Atom- und Quantenphysik am Physikalischen Institut der Universität Freiburg, Dr. Pascal Weckesser, Fabian Thielemann und Kollegen, demonstrieren magnetische Feshbach-Resonanzen zwischen einem einzelnen Barium-Ion und Lithium-Atomen nahe des ... 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 UC Berkeley
  • News

    Wie zuckerliebende Mikroben den Antrieb künftiger Autos unterstützen könnten

    Es klingt wie moderne Alchemie: Die Umwandlung von Zucker in Kohlenwasserstoffe, wie sie in Benzin vorkommen. Aber genau das haben Wissenschaftler getan. In einer in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Studie berichten Forscher, dass sie die Wunder der Biologie und der Chemie ... mehr

    Wie eingesperrte Protonen wandern

    Protonen können in wässrigen Lösungen üblicherweise sehr schnell wandern – schneller als andere Ionen. Das gilt allerdings nur, wenn sie mehr als zwei Nanometer Platz haben, wie eine Studie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der University of California in Berkeley zeigt. Auf engem Raum ... mehr

    Endlich getrennt und frisch gebunden

    Die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Alkanen sind nur sehr schwer zu „knacken“, um Wasserstoffatome durch andere Atomgruppen zu ersetzen – allen voran diejenigen an den Molekülenden, wo drei Wasserstoffatome an einem Kohlenstoff hängen. Methan (CH4) und Ethan (CH3CH3) haben nur solche ... mehr

Mehr über Glassomer
  • News

    Spritzguss von Glas

    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 ... mehr

  • 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