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#Neues aus der Industrie
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Volumetrischer 3D-Druck kann kleine Glasteile in Sekundenschnelle herstellen
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Ein neues 3D-Druckverfahren stellt Glasteile auf einmal her, anstatt Schicht für Schicht.
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Glas wird zunehmend in der Faseroptik, Unterhaltungselektronik und Mikrofluidik für "Lab-on-a-Chip"-Geräte eingesetzt. Leider ist die herkömmliche Glasherstellung kostspielig und langsam, und 3D-gedruckte kleine Glasobjekte haben raue Oberflächen, was sie für Linsen ungeeignet macht.
Um diese Probleme zu lösen, hat ein Forscherteam des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of California, Berkeley, eine neue Methode des 3D-Drucks entwickelt, die als volumetrische additive Fertigung (VAM) bezeichnet wird. Das Team nutzte VAM, um mikroskopisch kleine, empfindliche, schichtlose Quarzglasobjekte in Quarzglasteilen in nur wenigen Sekunden oder Minuten zu drucken.
VAM basiert auf der computergestützten axialen Lithografie (CAL), einer Technologie, die auf der Computertomografie, einem medizinischen Bildgebungsverfahren, beruht. CAL berechnet Projektionen aus vielen Winkeln auf ein Modell des herzustellenden Teils. Anschließend wird der beste Satz von Projektionen verwendet, um LED-Licht in eine rotierende Wanne mit lichtempfindlichem Harz zu leiten. Mit der Zeit erzeugen die Lichtstrahlen eine 3D-Lichtverteilung im Harz und härten es aus, während sich der Bottich dreht. Das vollständig geformte Objekt entsteht in nur wenigen Sekunden, viel schneller als beim herkömmlichen schichtweisen 3D-Druck. Die Wanne wird geleert, um das Teil zu entnehmen.
Die neue VAM-Mikrotechnik des Teams verwendet einen Laser anstelle einer LED und ein Nanokomposit-Glasharz, das in Deutschland von Glassomer und der Universität Freiburg entwickelt wurde. Das Team nutzte die Vorteile der höheren Lichtleistung des Lasers und des neuen Harzes, um schnell robuste Glasobjekte mit komplexer Mikrostruktur und einer Oberflächenrauheit von nur 6 nm und Strukturen von nur 50 µm herzustellen.
"Glasobjekte neigen dazu, leichter zu zerbrechen, wenn sie mehr Fehler oder Risse enthalten oder eine raue Oberfläche haben", sagt Berkeley-Professor Hayden Taylor. "Die Fähigkeit von VAM, Objekte mit glatteren Oberflächen als andere 3D-Druckverfahren herzustellen, ist daher ein großer potenzieller Vorteil."
Das Team verglich die Bruchfestigkeit von Glas, das mit VAM hergestellt wurde, mit Objekten derselben Größe, die mit konventionellem schichtbasiertem 3D-Druck hergestellt wurden. Es stellte sich heraus, dass die Bruchlasten von mit VAM gedruckten Strukturen dichter beieinander liegen, was bedeutet, dass die Forscher mehr Vertrauen in die Bruchlast von mit VAM gedruckten Komponenten haben können als in solche, die mit konventionellen Techniken hergestellt wurden. VAM erzeugt auch extrem glatte Oberflächen ohne Schichtungsartefakte, was zu einem schnelleren Druck ohne zusätzliche Nachbearbeitung führt.
"Sie können sich vorstellen, dass der Versuch, diese kleinen Mikrooptiken und komplexen Mikroarchitekturen mit Standard-Fertigungsverfahren herzustellen, wirklich nicht möglich ist", so Cook. "Und die Möglichkeit, Teile gebrauchsfertig zu drucken, ohne sie polieren zu müssen, spart eine Menge Zeit und Geld
Die Forscher sagen voraus, dass VAM-gedrucktes Glas bei der Herstellung von Vollglasbauteilen mit mikroskopischen Merkmalen, bei der Herstellung optischer Komponenten mit größerer geometrischer Freiheit und bei höheren Geschwindigkeiten helfen und möglicherweise neue Funktionen hinzufügen oder die Kosten senken könnte.
Zu den Anwendungen in der realen Welt könnten Mikrooptiken in hochwertigen Kameras, Unterhaltungselektronik, biomedizinischer Bildgebung, chemischen Sensoren, Virtual-Reality-Headsets, fortschrittlichen Mikroskopen und Mikrofluidik mit anspruchsvollen 3D-Geometrien, wie z. B. "Labs on a Chip", gehören Außerdem eignen sich die günstigen Eigenschaften von Glas gut für biomedizinische Anwendungen sowie für solche, die hohen Temperaturen oder chemischer Belastung standhalten müssen.
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