Unter Verwendung von ultraviolettem Licht anstelle extrem hoher Temperaturen hat ein Team von Forschern der Georgia Tech einen neuen Ansatz für den 3D-Druck kleiner Glaslinsen und anderer Strukturen entwickelt, die für medizinische Geräte und Forschungsanwendungen nützlich wären.
Ihr Verfahren reduziert die zur Umwandlung von gedrucktem Polymerharz in Quarzglas erforderliche Wärme von 1.100 °C auf etwa 220 °C und verkürzt die Aushärtungszeit von 12 Stunden oder mehr auf nur fünf Stunden. Sie haben damit alle Arten von Glasmikrostrukturen hergestellt, darunter winzige Linsen von der Breite eines menschlichen Haares, die für medizinische Bildgebung im Körperinneren verwendet werden könnten.
Unter der Leitung von H. Jerry Qi, Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, beschrieb das Team seinen Ansatz in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.
„Dies ist eines der explorativen Beispiele, die zeigen, dass es möglich ist, Keramik unter milden Bedingungen herzustellen, da Siliciumdioxid eine Art Keramik ist“, sagte Qi. „Es ist ein sehr herausforderndes Problem. Wir haben ein Team, dem Leute aus der Chemie und den Materialwissenschaften angehören, die an einem datengesteuerten Ansatz arbeiten, um die Grenzen zu verschieben und zu sehen, ob wir mit diesem Ansatz mehr Keramik herstellen können.“
Zusammen mit der Miniaturisierung von Linsen für medizinische Endoskope könnten diese 3D-gedruckten Glasstrukturen mikrofluidische Geräte schaffen – typischerweise kleine computerchipähnliche Geräte mit Kanälen im Nano- oder Mikromaßstab, die zur Untersuchung von Zellen oder Bioflüssigkeiten in Bewegung verwendet werden. Glaschips würden gegenüber aktuellen Chips aus Polymermaterialien Vorteile bieten, sagten die Forscher, da sie Korrosion durch Chemikalien oder Körperflüssigkeiten widerstehen.
Laut Mingzhe Li, dem Erstautor der Studie, würde der Niedertemperaturprozess auch die Herstellung von Mikroelektronik mit Glasstrukturen ermöglichen.
„Wir können vor Ort direkt in die Mikroelektronik drucken“, sagte Li, ein Postdoktorand in Qis Labor. „Halbleitermaterialien, die in der Mikroelektronik verwendet werden, können sehr hohen Temperaturen nicht standhalten. Wenn wir direkt auf eine Platine drucken wollen, müssen wir das bei einer niedrigen Temperatur tun, und 200 °C können diesen Job auf jeden Fall erledigen.“
Das Druckverfahren des Teams stellt eine klimafreundlichere Option für die Quarzglasherstellung dar.
Typische additive Fertigungsverfahren für Glas erfordern Polymermischungen, die mit Hitze weggebrannt werden müssen, sobald die gewünschten Formen entstanden sind. Der Ansatz des Georgia Tech-Teams verwendet ein Fotoharz, das mithilfe einer Art ultraviolettem Licht, dem sogenannten tiefen UV-Licht, in Glas umgewandelt wird. Dies ermöglicht niedrigere Temperaturen, die erhebliche Heizenergie einsparen. Und da kein zusätzliches Polymermaterial hinzugefügt werden muss, werden von vornherein weniger Ressourcen benötigt.
Die Forscher verwendeten ein lichtempfindliches Harz auf Basis eines weit verbreiteten weichen Polymers namens PDMS und mussten ihrer Mischung keine Silica-Nanopartikel hinzufügen, wie es bei anderen 3D-Druckverfahren der Fall ist. Das Ergebnis ist hochtransparentes Glas ohne die potenziellen optischen Probleme, die durch die zugesetzten Nanopartikel entstehen können. Die von ihnen hergestellten Glaslinsen waren so glatt wie kommerziell hergestelltes Quarzglas.
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Mingzhe Li et al., Niedertemperatur-3D-Druck transparenter Quarzglas-Mikrostrukturen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi2958