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

Sie werden als Alltagsgegenstände in Haushalten, Büros, Forschungslabors und fast überall mit einer Vielzahl von Produkten und Instrumenten wie Flaschen, Linsen, Gläsern, Fenstern und Spiegeln verwendet. Es hat sehr attraktive Eigenschaften wie seine optische Transparenz, hervorragende mechanische, chemische und thermische Beständigkeit sowie Isolierung gegen elektrische Energie und Wärme.

Es ist ein anorganisches Material, das sowohl hart als auch spröde ist; transparent, kann aber gefärbt werden; 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 1.500 Grad Celsius (C) geschmolzen werden müssen.

Obwohl es eines der ältesten von Menschen verwendeten Materialien ist, ist die Technologie zur Herstellung von Glas im Laufe der Jahrhunderte praktisch unverändert geblieben. Die Bearbeitung basiert auf Schmelzen, Fräsen oder Gravieren, ist energieintensiv, technisch anspruchsvoll und die erzielbaren Formen sind begrenzt, da nach dem Schmelzen zu Platten in einem als Floatglas bezeichneten Verfahren oder gebogenen Objekten entstehen. mit der Schlagtechnik.

Bei der Suche nach hochreinem Glas wie Quarzglas und auf kleineren Objekten wie Mikrokameralinsen und mikrofluidischen Geräten ist das Verfahren komplizierter, da es das Schmelzen der Verbindung bei höheren Temperaturen (bis zu 2000 Grad C) und schädlichen Chemikalien wie z Säuren. auch benutzt. Dieses Verfahren ist teuer, zeitaufwändig und Glas ist nicht leicht zu formen.

3D-Glasdruck

Aber jetzt kann diese Art der Glasherstellung mit einem neuen System namens Mikro-CAL (Computerized Axial Lithography im Mikromaßstab), entwickelt von einem Team amerikanischer und deutscher Wissenschaftler unter der Leitung von Joseph Toombs von der University of California, Berkeley.

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

Die Forscher verwendeten eine neue photopolymere 3D-Drucktechnik namens „Additive Manufacturing“ (VAM), die sie selbst entwickelt und als „Computerized Axial Lithography“ oder CAL bezeichnet haben (die sie in der Zeitschrift veröffentlichten). Wissenschaft im Jahr 2019) und darüber hinaus mit einem Fused-Silica-Spritzgusssystem.

„Durch Photopolymere und spezialisierte Optiktechnik haben wir ein Fertigungsgerüst entwickelt, das einfach zu verarbeitende Silica-Nanokomposite mit VAM ohne Beschichtung kombiniert und die Forschung und industriellen Anwendungen der Metamaterialmechanik und der 3D-Mikrofluidik vorantreiben kann.“ und Freiformoptik“, betonen die Forscher in einem in der Fachzeitschrift veröffentlichten Artikel Wissenschaft In dieser Woche.

So erhalten sie eine Quarzglasstruktur von nur 150 Mikrometer oder Mikrometer (ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter) mit ausgezeichneter geometrischer Freiheit, geringer Oberflächenrauhigkeit, hoher Bruchfestigkeit und optischer Transparenz. Sie bedrucken auch komplexe Glasobjekte in wenigen Sekunden.

An dem Wissenschaftlerteam nahmen teil: Bastian E. Rapp von der Universität Freiburg, Deutschland; Hayden Taylor von der University of California, Berkeley; und Caitlyn Cook vom Lawrence Livermore National Laboratory. Sie verwendeten ein Photopolymer-Nanokomposit und Siliziumdioxid, ein Harz, das Glasnanopartikel enthält, die von einem lichtempfindlichen flüssigen Bindemittel umgeben sind.

Dieses Material wird von einem VAM-Drucker verwendet, der ein digitales Bild der Teile projiziert und das Nanokomposit-Bindemittel stärkt, dann erhitzen die Forscher das gedruckte Objekt, um das Harz zu entfernen und die Silikapartikel zu einem festen Objekt aus reinem Glas zu kombinieren.

durch Licht geformte Objekte

Der photopolymere 3D-Druck, kurz CAL, ist eine neue Druckart, die mit Lichtmustern arbeitet und in wenigen Sekunden ein ganzes Objekt herstellt. Es verwendet einen digitalen Bildprojektor auf einem lichtempfindlichen Polymermaterial, wie z. B. einem Gel, in einem rotierenden transparenten zylindrischen Gehäuse. Lichtphotonen, die von einem computergesteuerten Projektor gesendet werden, treten aus verschiedenen Winkeln in das Gel ein und bilden eine dreidimensionale Figur.

An den Stellen, an denen sich die Photonen kreuzen und die Schatten zusammenfallen, verbindet sich die Energie der Photonen und dies bewirkt, dass das Gel aushärtet. An Stellen, an denen kein Licht durchdringt, bleibt das lichtempfindliche Material unverändert.

Das projizierte Bild ist zweidimensional, wird jedoch aus verschiedenen Winkeln beeinflusst, wodurch eine ausreichende Energiedosis erzeugt wird, um das Material in die gewünschte dreidimensionale Form zu verdichten. So entstehen fertige Objekte: durch einfache Bildprojektion, so etwas wie ein Science-Fiction-Serien-Replikator Star Trek.

Bei der herkömmlichen 3D-Drucktechnologie werden Objekte durch Verfestigen eines Polymers oder Pulvers zu Schichten hergestellt, die Schicht für Schicht hergestellt werden, was Minuten oder sogar Stunden dauern kann, um eine vollständige Struktur zu bilden.

Mit der CAL-Technologie werden innerhalb von Sekunden komplette Objekte mit komplexeren Formen und nahezu jeder Größe erstellt, ohne dass Schichten erforderlich sind.

Um dünne Glasstücke zu synthetisieren, stellten die Forscher ein Bindemittel mit Silica-Nanopartikeln her, die einen nahezu identischen Brechungsindex wie Glas haben, sodass Licht beim Durchgang durch das Material nicht gestreut wird. So entstehen Gegenstände aus Gel und Silica, aber wenn sie auf 1.300 Grad erhitzt werden, verschmelzen die Silica-Nanopartikel zu 100 % reinem Glas und die Gelpartikel werden entfernt.

Die Forscher erstellten optische Glaskomponenten, Gitterstrukturen, Gitter und dreidimensionale mikrofluidische Strukturen von mehreren Millimetern und Mikrometern. Präzise geformt, hochbeständig und hochtransparent in nur fünf Sekunden pro Teil.

Ökologische Auswirkungen

Aufgrund der Schwierigkeit, kleine Stücke aus geschmolzenem Glas herzustellen, verwenden viele industrielle und technologische Bereiche Polymere, obwohl ihre physikalischen, optischen, chemischen und thermischen Eigenschaften denen von Glas unterlegen sind. Aber es ist billiger in der Herstellung, verbraucht weniger Energie und kann in großem Maßstab hergestellt werden.

Das Ergebnis ist eine übermäßige Verwendung von Kunststoff, einem nicht biologisch abbaubaren und stark umweltbelastenden Material. Der neue 3D-Glasdrucker wird eine schnelle und kostengünstige Verarbeitung von Glaskomponenten ermöglichen, die Polymere ersetzen werden.

microCAL-Formteile in reines Quarzglas. Dieser Prozess erfordert weniger Energie als das herkömmliche Glasschmelzen, was zu einer Energieeffizienz führt. Die geformten Glaskomponenten haben eine hochwertige Oberfläche, sodass Nachbehandlungsschritte wie Polieren entfallen.

Die erstellbaren Objekte haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Computer-, Telekommunikations-, Optik- und Solartechnik über kleine Hightech-Glaskomponenten mit komplexen Geometrien bis hin zu Sensoren und Optiken, die bei jeder Temperatur zuverlässig funktionieren.

Glas wird auch weiterhin ein wichtiger Werkstoff im modernen Leben sein und mit diesen Fortschritten in vielen bisher von Kunststoffen dominierten Bereichen Anwendung finden, die technologische und wirtschaftliche Vorteile, aber auch Ökologie bringen werden.

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