KMU-innovativ Entwicklung eines kombinierten Glasdruckverfahrens basierend auf drei additiven Fertigungstechniken zur Herstellung 3D-gedruckter Glasstrukturen (KombiGlasDruck)

Problemstellung
Der Werkstoff Glas verfügt aufgrund seiner Reinheit, hohen chemischen Beständigkeit und Temperaturresistenz über deutlich bessere Eigenschaften als viele andere Werkstoffe. Derzeitige Herstellungsverfahren für Glas stoßen in Formgebung, Schnelligkeit, Auflösung sowie auch Wirtschaftlichkeit an ihre Grenzen. Aufgrund dessen können bisher viele Produkte aus unterschiedlichsten Branchen (z. B. Düsen für die Mikrofluidik) nicht aus Glas hergestellt werden. Vereinzelt existieren bereits additive Fertigungsverfahren in der Glasbranche, die komplexe Formen ermöglichen würden. Sowohl die Auflösung sowie die herstellbaren Strukturen sind dabei je nach Verfahren enorm eingeschränkt. Die größte Herausforderung bei den Verfahren stellen die hohen Bearbeitungstemperaturen von bis zu 2000 °C dar.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projektes KombiGlasDruck ist die Entwicklung eines neuartigen kombinierten Glasdruckverfahrens zur wirtschaftlichen Herstellung individueller Freiform-Glasstrukturen. Hierfür sollen erstmals die additiven Glasfertigungstechniken des Pulver- und Pastendrucks mit dem Stabdruck kombiniert werden. Dadurch wird es möglich, sowohl kleinste, präzise Strukturen als auch große, grobe Strukturen in einem Bauteil effizient zu vereinen und die Auflösung nach Bedarf einzustellen. Mit dem in diesem Projekt verfolgten innovativen Ansatz, verschiedene Verfahren zum 3-D-Glasdrucken zu kombinieren, können erstmals detaillierte beliebig geformte und funktionale Glasobjekte (z. B. Implantatsgehäuse, Mikrooptiken) reproduzierbar gefertigt werden.

Vorgehensweise
Die Grundidee ist die Kombination von drei additiven Fertigungsverfahren für Glas (Pulver-, Pasten- und Stabdruckverfahren). Zunächst wird für die feinen Strukturen ein Bauteil mit dem Pulver- oder Pastendruckverfahren gedruckt, auf welches anschließend im Drucker des Stabdruckverfahrens grobe Strukturen aufgedruckt werden. IL Metronic entwickelt dabei das Pulverdruckverfahren sowie ein automatisiertes Pastendruckverfahren. Um auch die Formstabilität bei dem anschließend notwendigen Sinterprozess zu gewährleisten, wird zudem eine Simulation für das Schrumpfverhalten und basierend darauf ein Sinterverfahren entwickelt. Um beim Aufdrucken Spannungsrisse aufgrund erneuter Energiezufuhr zu vermeiden, entwickelt die TU Ilmenau eine FEMSimulation zur Überwachung der Beanspruchungen der Probekörper bei Erhitzung. Auch entwickelt die TU Ilmenau Vor- und Nachbehandlungsverfahren, die eine dichte und tragfähige Verbindung mit sehr geringer Restspannungen gewährleisten.

Ergebnisse und Anwendungspotentzial
Mit dem neu entwickelten kombinierten Glasdruckverfahren können erstmals individuelle Freiform-Glasprodukte mit höchster Präzision und in beliebiger Größe gedruckt werden. Das Potenzial für das neue Verfahren ist enorm, da es in verschiedensten Branchen, wie z. B. der Medizintechnik, der chemischen Industrie sowie in verschiedenen optischen Anwendungen, wie Smartphone-Kameraobjektive angewendet werden kann.

• IL - Metronic Sensortechnik GmbH
• Technische Universität Ilmenau