Glas ist eines der ältesten Materialien, die die Menschheit verwendet hat; Einige seiner Überreste wurden vor 5.000 Jahren von Menschen aus der Bronzezeit gefunden. Seitdem ist es allgegenwärtig im Alltag, in diversen Hightech-Branchen und in Industrieprodukten verschiedenster Bereiche wie Telekommunikation, Medizin, Bauwesen, Optik, Elektronik und Chemie.

Sie werden als Alltagsgegenstände in Haushalten, Büros, Forschungslabors und fast überall verwendet, wobei eine breite Palette von Produkten und Werkzeugen wie Flaschen, Linsen, Brillen, Fenster und Spiegel verwendet werden. Es hat sehr interessante Eigenschaften, wie seine optische Transparenz, hervorragende mechanische, chemische und thermische Beständigkeit sowie Isolierung gegen elektrische und thermische Energie.

Es ist ein festes und gleichzeitig zerbrechliches anorganisches Material; transparent, aber bemalbar; amorph, obwohl es leicht geformt werden kann. Es wird aus einer Mischung aus Sand oder Kieselsäure (SiO2), Natriumcarbonat (Na2CO3) und Kalkstein (CaCO3) gewonnen, Materialien, die bei Temperaturen über 1500 Grad Celsius (C) geschmolzen werden.

Obwohl die Technologie zur Herstellung von Glas zu den ältesten von Menschen genutzten Materialien gehört, hat sie sich seit Jahrhunderten kaum verändert. Seine Verarbeitung basiert auf Schmelzen, Schleifen oder Gravieren, es erfordert viel Energie, ist technisch anspruchsvoll und die erhaltenen Formen sind begrenzt, da es nach dem Schmelzen in einem als Floatglas bezeichneten Prozess zu einer Platte wird oder gebogene Objekte hergestellt werden. mit Blastechnik.

Das Auffinden von hochreinem Glas wie Quarzglas und kleineren Objekten wie Mikrokameralinsen und mikrofluidischen Geräten macht das Verfahren komplizierter, da es das Schmelzen der Verbindungen bei höheren Temperaturen (bis zu 2.000 Grad C) und gefährlichen Chemikalien wie Säuren erfordert . auch benutzt. Dieses Verfahren ist teuer, zeitaufwändig und das Glas kann nicht einfach gestaltet werden.

3D-Glasdruck

Aber jetzt könnte sich diese Art der Glasherstellung mit einem neuen System namens Mikro-CAL (computerisierte axiale Lithographie im Mikromaßstab), die von einem Team amerikanischer und deutscher Wissenschaftler unter der Leitung von Joseph Tomb von der University of California, Berkeley, entwickelt wurde.

Diese neue Technologie ermöglicht es, Glasobjekte in drei Dimensionen (3D) einfacher, schneller und in nahezu jeder Form und Größe zu drucken, sogar im Mikromaßstab. Diese Arten von „3D-Druckern“ sind jedoch ausgefeilter als die immer häufiger verwendeten, die Kunststoffobjekte Schicht für Schicht drucken.

Die Forscher verwendeten eine neue 3D-Drucktechnik für Photopolymere namens „Additive Production“ (VAM), die sie selbst entwickelt und als „Computerized Axial Lithography“ oder CAL bezeichnet und in einer Fachzeitschrift veröffentlicht haben. Wissenschaft 2019) und später ein Fused-Silica-Injektionssystem verwendet.

„Unter Verwendung spezialisierter Photopolymere und optischer Technik haben wir ein Produktionssystem entwickelt, das einfach zu verarbeitende Silica-Nanokomposite nahtlos mit VAM verschmilzt, was zur Forschung und industriellen Anwendung von Metamaterialmechanik, 3D-Mikrofluidik und Freiformoptik beitragen könnte.“ Forscher in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Wissenschaft In dieser Woche.

So erhielten sie nur 150 Mikrometer oder Mikrometer Quarzglasstrukturen (Mikrometer sind ein Tausendstel Millimeter) mit ausgezeichneter geometrischer Freiheit, geringer Oberflächenrauhigkeit, hoher Bruchzähigkeit und optischer Transparenz. Sie druckten auch komplexe Glasobjekte in nur wenigen Sekunden.

Zum Forschungsteam gehören Bastian E. Raps von der Universität Freiburg in Deutschland; Hayden Taylor von der University of California, Berkeley; und Katelin Cook vom Lawrence Livermore National Laboratory, unter anderem. Sie verwendeten ein Nanokomposit aus Photopolymer und Silica, ein Harz, das Glasnanopartikel enthält, die von einem lichtempfindlichen flüssigen Bindemittel umgeben sind.

Das Material wird von einem VAM-Drucker verwendet, um digitale Bilder von Teilen zu projizieren und das Nanokomposit-Bindemittel zu fixieren, wonach die Forscher das gedruckte Objekt erhitzen, um das Harz zu entfernen und die Silikapartikel zu schmelzen, um einen festen Glaskörper zu bilden.

Objekte, die mit Licht geschaffen wurden

Der Photopolymer-3D-Druck oder CAL ist eine neue Art des Druckens, die mit einem Lichtmodell arbeitet und in nur wenigen Sekunden ein ganzes Objekt erstellt. Es verwendet einen digitalen Bildprojektor auf einem lichtempfindlichen Polymermaterial, wie z. B. einem Gel, in einem rotierenden transparenten zylindrischen Behälter. Die vom Computerprojektor ausgesandten Lichtphotonen treten aus verschiedenen Winkeln in das Gel ein, bis eine dreidimensionale Figur entsteht.

An den Punkten, an denen sich die Photonen schneiden und die Bilder überlappen, verbindet sich die Photonenenergie, wodurch das Gel aushärtet. An Stellen, an denen kein Licht durchdringt, bleibt das lichtempfindliche Material unverändert.

Die projizierten Bilder sind zweidimensional, werden jedoch aus verschiedenen Winkeln beeinflusst, was zu einer Energiedosis führt, die ausreicht, um das Material in die gewünschte dreidimensionale Form zu verfestigen. So entstehen komplette Objekte: mit einer einfachen Bildprojektion, so etwas wie ein Science-Fiction-Serien-Replikator Der Weg der Sterne.

Bei herkömmlichen 3D-Drucktechnologien werden Objekte durch Aushärten von Polymeren oder Pulvern in Schichten hergestellt, die Schicht für Schicht gebildet werden, was mehrere Minuten oder sogar Stunden dauert, um eine vollständige Struktur zu erzeugen.

Mit der CAL-Technologie werden komplexe Objekte schnell und ohne Ebenen in Sekundenschnelle mit komplexeren Formen und praktisch jeder Größe erstellt.

Um dünne Glasstücke zu synthetisieren, schufen die Forscher ein Bindemittel mit Silica-Nanopartikeln mit einem Brechungsindex, der praktisch identisch mit dem von Glas ist, sodass Licht beim Durchgang durch das Material nicht gestreut wird. Auf diese Weise wurden Gegenstände mit Gel und Kieselsäure gebildet, aber wenn sie auf 1300 Grad erhitzt werden, konvergieren die Silizium-Nanopartikel zu 100 % reinem Glas und die Gelpartikel werden entfernt.

Mit wenigen Millimetern und Mikrometern erzeugten die Forscher optische Glaskomponenten, Gitterstrukturen, Gitter und dreidimensionale mikrofluidische Strukturen. Mit präzisen Formen, sehr langlebig und sehr transparent in nur fünf Sekunden für jedes Teil.

Ökologische Auswirkungen

Aufgrund ihrer Komplexität verwenden viele industrielle und technologische Branchen Polymere bei der Herstellung von kleinen Stücken aus geschmolzenem Glas, obwohl ihre physikalischen, optischen, chemischen und thermischen Eigenschaften geringer sind als die von Glas. Es ist jedoch billiger in der Herstellung, verbraucht weniger Energie und kann in großem Maßstab hergestellt werden.

Das Ergebnis ist die übermäßige Verwendung von Kunststoffen, die biologisch nicht abbaubar und stark umweltbelastend sind. Mit dem neuen Glas-3D-Drucker können Sie schnell und kostengünstig Glasteile verarbeiten, die Polymere ersetzen.

Die von MicroCAL hergestellten Teile werden zu reinem Quarzglas. Dieser Prozess benötigt weniger Energie als das Schmelzen von gewöhnlichem Glas und sorgt so für Energieeffizienz. Die geformten Glasteile haben eine hochwertige Oberfläche, sodass keine Nachbearbeitungen wie Polieren erforderlich sind.

Die erstellbaren Objekte haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Computer-, Telekommunikations-, Optik- und Solartechnik über kleine Hightech-Glaskomponenten mit komplexer Geometrie bis hin zu Sensoren und Optiken, die bei jeder Temperatur sicher arbeiten können.

Glas wird auch weiterhin ein unverzichtbarer Werkstoff des modernen Lebens sein und mit diesem Fortschritt in vielen Bereichen eingesetzt werden können, in denen bisher Kunststoffe dominierten, technologische und ökonomische, aber auch ökologische Vorteile bringen.

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