UpNano nutzt 2PP 3D-Druck zur Produktion makroskopischer Quarzglasteile

Quarzglas-Hülsen mit einem Innendurchmesser von 126 µm, der dem Außendurchmesser von Standard-Glasfasern entspricht. Aufgrund des perfekt abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglashülsen und Glasfaser ist UpQuartz ein ideales Material für diese Anwendung.

Markus Lunzer
Teamleiter Materials & Application bei UpNano

„Dieses von uns entwickelte innovative Produktionsverfahren eignet sich ideal für größere 3D-gedruckte Glasteile, die eine hohe Auflösung und Präzision erfordern, in den Bereichen Maschinenbau, Chemie, Medizin oder Forschung.“

Die Herstellung winziger und komplexer 3D-Objekte aus Glas ist ein anspruchsvoller Prozess. Dies gilt umso mehr, wenn das benötigte Material hochwertiges Quarzglas (SiO₂) sein soll, das einen außergewöhnlich hohen Schmelzpunkt hat. Die bisher einzigen möglichen Methoden basieren auf nicht kommerziell erhältlichen Geräten und umfassen das Schmelzen von Glasfasern mit Laserstrahlen oder das Fused Deposition Modeling zur Herstellung von normalem Glas. Diese Methoden führen häufig zu Endprodukten mit rauen Oberflächen, die unerwünscht sind. Jetzt haben UpNano und Glassomer ein schnelles 3D-Druckverfahren entwickelt, um glatte Quarzglasbauteile im mm- und cm-Bereich mit Strukturen, die sogar im μm-Bereich liegen können, herzustellen.

Filterelement aus Quarzglas mit 180 µm Poren. Der Filter ist 3,6 mm lang und hat einen Innendurchmesser von 875 µm. Das Bauteil ist mit einem Befestigungsrand ausgestattet. Das Filterelement hat eine hohe Temperaturbeständigkeit und kann extremen chemischen Bedingungen standhalten.

In drei Schritten zum Ziel

„Es handelt sich um einen Prozess in drei Schritten“, erklärt Markus Lunzer, Teamleiter von Materials & Application bei UpNano. „Der erste Schritt besteht darin, die gewünschte Struktur zu entwerfen und zu drucken und dabei alle Vorteile des 2PP 3D-Drucks zu nutzen. Der zweite Schritt ist das Entfernen des organischen Bindematerials, gefolgt von einem Hochtemperatur-Sinterprozess, dem dritten Schritt.“ Das Herzstück ist ein neu entwickeltes Nanokomposit: UpQuartz. Es enthält neben SiO₂-Nanopartikeln eine speziell entwickelte Polymermatrix, die den 2PP 3D-Druck des Komposits überhaupt erst ermöglicht. Durch den Druckvorgang entsteht ein Grünteil, das bereits die Form der endgültigen und gewünschten Struktur hat. Um am Ende das Quarzglasprodukt zu erhalten, muss die Polymermatrix entfernt werden. Dies wird durch Erhitzen des Grünteils auf 600 °C erzielt und ein sogenanntes „Braunteil” bleibt zurück. Dies hat bereits die gewünschte Form des Endprodukts und besteht nur aus SiO₂. Dieses Braunteil wird dann bei 1.300 °C gesintert. Während der Nachbearbeitung erfährt das Objekt eine isotrope Schrumpfung von etwa 30 Prozent. Dies kann durch ein entsprechendes Upscaling des Grünteils mithilfe der UpNano-Software leicht kompensiert werden.

„Dieses von uns entwickelte innovative Produktionsverfahren“, so Markus Lunzer, „eignet sich ideal für größere 3D-gedruckte Glasteile, die eine hohe Auflösung und Präzision erfordern, in den Bereichen Maschinenbau, Chemie, Medizin oder Forschung.“ Quarzglas bietet hervorragende optische Eigenschaften, ist biokompatibel, chemisch inert und außerordentlich hitzebeständig, was es zu einem idealen Material für eine breite Palette von Anwendungen macht. Nachdem UpNano bereits vor Kurzem erfolgreich die Materialprüfung von 2PP 3D-gedruckten Teilen mit UpNano-Druckern und -Harzen für makroskopische Prüfkörper vorangetrieben hat, stellt diese neue Entwicklung nun erneut einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf das Potenzial des 2PP 3D-Drucks dar. Darüber hinaus wurden die Drucker des Unternehmens kürzlich eingesetzt, um einen bedeutenden Meilenstein im 2PP 3D-Druck zu erreichen: Dabei konnten ganzheitlich eingebettete mikrofluidische Chips sowie Wolfram- und Platin-Mikrostrukturen mit (sub-)μm-Auflösung hergestellt werden.

Die Entwicklung der Methode zur Herstellung von Quarzglasobjekten mittels 2PP 3D-Drucks war ein gemeinsames Projekt von UpNano und Glassomer. Das deutsche Unternehmen hat bereits zuvor die Herstellung von Quarzglasobjekten durch den Einsatz von Technologien wie Softlithografie, Spritzgießen und konventionellem 3D-Druck ermöglicht. Die gemeinsame Entwicklung von UpQuartz ermöglicht indessen auch den Einsatz des hochpräzisen 2PP 3D-Drucks.

Leistungsstarke Werkzeuge für die Massenproduktion

Diese Reihe von Entwicklungen ist ein Beispiel für das Innovationskapital von UpNano auf dem hart umkämpften Markt der 2PP 3D-Drucker, das durch den anhaltenden und wachsenden kommerziellen Erfolg der NanoOne-Druckerreihe ergänzt wird. So stieg der Umsatz im Jahr 2023 gegenüber dem Vorjahr um 57 Prozent und die Kunden finden sich inzwischen auf fünf Kontinenten. Alle NanoOne-Drucker sind mit der patentierten adaptiven Auflösungstechnologie ausgestattet, mit der der Laserstrahl für jedes beliebige Objektiv um den Faktor 10 erweitert werden kann. Ein kürzlich durchgeführtes Softwareupdate hat auch das nahtlose Stitching ermöglicht, und angesichts aller verfügbaren Module gilt die NanoOne-Druckerreihe jetzt als die vielseitigste und schnellste auf dem Markt. „Die Geschwindigkeit, die Auflösung und die Vielseitigkeit unserer Drucker machen sie zu leistungsstarken Werkzeugen für die Massenproduktion von hochpräzisen Teilen. Unser ständig wachsendes Angebot an Materialien erweitert das Anwendungsspektrum. Zu gegebener Zeit werden wir auch bald unser Dienstleistungsangebot erweitern“, ergänzt Bernhard Küenburg, Geschäftsführer von UpNano.