KMU-innovativ Entwicklung eines neuartigen Anlagensystems für das selektive Laserstrahlsintern zur Herstellung von definiert porösen graduierbaren Glasbauteilen (Lasergrad)

Problemstellung
Poröse Glasmaterialien sind Gläser mit mikroskopisch kleinen Poren und weisen – trotz ihres voranstehenden Adjektivs – materialspezifisch eine hohe thermische und chemische Stabilität auf. Sie werden in einer Vielzahl von Industriebereichen eingesetzt, beispielsweise im medizinischen Umfeld in Stickstoffsensoren bei der Atemgasanalyse, als Glasfilter zur Gas- und Flüssigkeitstrennung sowie als Separator in der Batterietechnik. Eine Graduierung, eine gezielte Variation der Porengröße, kann überdies durch die entstehende Produktoptimierung diese Einsatzgebiete ideal erweitern. So wäre eine Atemgasanalyse im Home- und Healthcare Bereich robust unter schwankenden Umgebungsbedingungen durchführbar oder die Filtrationsmöglichkeiten bezüglich Mehrstoffsystemen und Geometrievielfalt erweiterbar. Derlei Anwendungsmöglichkeiten werden bisher dadurch verhindert, da es mit aktuell zur Verfügung stehenden industriellen Fertigungsverfahren, wie z. B. der konventionellen Sinterung, nicht möglich ist, poröse Glasbauteile hinsichtlich ihrer Geometrie und Porenvielfalt individuell zu gestalten. Abhilfe können hier 3D-Druckverfahren schaffen.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projekts Lasergrad ist die additive Herstellung von dreidimensionalen, geometrisch flexiblen Glasformkörpern. Diese sollen durch das selektive Laserstrahlsintern (SLS) realisiert werden, bei dem das Glaspulvermaterial schichtweise durch CO2-Laserstrahlung verdichtet wird und dadurch definierte, graduierte Porenverläufe möglich sind. Hierzu ist eine robuste, qualitative und ausfallsichere Anlagentechnik für eine Prozessführung im Hochtemperaturbereich zu entwickeln. Zum Einsatz wird Glaspulver kommen, welches als Abfallprodukt bei der kosten- und energieintensiven Quarzglasherstellung anfällt. Diese effiziente Nutzung der Glasrohstoffe bildet die Grundlage für einen ressourcenschonenden und wirtschaftlichen Fertigungsprozess.

Vorgehensweise
Zunächst werden eine Prozessmodellbetrachtung sowie die Analyse der zur Umsetzung erforderlichen Abläufe vorgenommen. Eine weitere wichtige Aufgabe besteht in der Materialentwicklung der für die Fertigung benötigten Glaspulverwerkstoffe. Deren Eignung ist unter Produktionsbedingungen methodisch zu untersuchen. Bei der Erarbeitung der Anlagentechnik werden vor allem das Isolationskonzept und die ausreichend hohen Materialstandzeiten besondere Herausforderungen darstellen. Abschließend wird das SLS-Verfahren entwickelt und dessen Prozessstabilität, u. a. bei der Herstellung von graduierten Porenverläufen im Labormaßstab, erforscht und demonstriert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreichem Abschluss des Forschungsvorhabens werden poröse Glasformkörper mit gezielt erweiterten Funktionalitäten, bezüglich des Porengradienten und der Geometrievielfalt, herstellbar sein. Dies ermöglicht einen breiten Einsatz in wichtigen Zukunftsbranchen und märkten der Bio-, Medizintechnik sowie dem Automotive Bereich.

• Ernst-Abbe-Hochschule Jena
• Rösler CeramInno GmbH