Gestaltung von Glas im 21. Jahrhundert: Additive Fertigung von transparenten Glasobjekten
 

Im Projekt Glass3D wird an neuen Materialien und Methoden zur Herstellung von optisch hoch transparenten Glasobjekten mittels additiver Fertigungstechnologien geforscht. Insbesondere in der Produktion von technisch funktionalen Glasobjekten und komplexen Glasformen besteht ein hoher Bedarf an neuen Fertigungstechnologien. Das Projekt fokussiert sich auf die Fertigungstechnologien Binder Jetting (BJT), Direct Melt Printing (DMP) und badbasierte Photopolymerisation mit Aushärtung mittels ultraviolettem Licht (VPP-UVM). Die drei Verfahren unterscheiden sich grundlegend in der Form des Ausgangsmaterials und dem jeweiligen Bindungsmechanismus:

• Beim BJT werden die pulverförmigen Glaspartikel durch einen Flüssigbinder vernetzt. Der Schicht für Schicht generierte Grünling muss anschließend gesintert werden. 
• Beim VPP erfolgt die Generierung des Glaskörpers mittels lokaler Verfestigung von Monomer-Flüssigharten unter Einwirkung von UV-Licht. Eine Sinterung des Grünlings ist hier ebenfalls notwendig. 
• Beim DMP werden die Glasausgangstoffe in einem Tiegel aufgeschmolzen und lokal durch eine Düse extrudiert. Eine anschließende Sinterung ist nicht notwendig. 

Mit bisherigen DMP sind lediglich grobe, große Objekte fertigbar. Der Glasrohstoff ist vorab durch Zerkleinern, Mahlen und Sieben aufwändig aufzubereiten, womit hohe Energiekosten und Materialverschleiß einhergehen. Für eine gesteigerte Energieeffizienz sollen die Glasrohstoffe daher unmittelbar im 3D-Drucker aufgeschmolzen und geläutert werden. 

Mittels BJT und VPP sind wesentlich feinere Strukturen bei hoher Auflösung fertigbar. BJT besticht zudem durch hohe Druckgeschwindigkeiten. Für die Fertigung von optischen Glaskomponenten sind Neuentwicklungen der Ausgangswerkstoffe, Matrix-Binder-Zusammensetzungen für das BJT sowie Harze für das VPP, erforderlich. Für alle Technologien sind umfassende Neu- und Weiterentwicklungen auf Maschinenseite erforderlich.

Häufig weisen additiv gefertigte Glasobjekte interne Defekte wie Blasen und Grenzflächen auf, welche unerwünschte Lichtbrechungen hervorrufen, sowie die mechanischen Eigenschaften und die Transparenz stark beeinträchtigen. Das Projekt Glass3D adressiert die Reduzierung besagter Defekte und ermöglicht durch Fachbereich- und Länderübergreifende Kooperation die flexible Fertigung komplexer, transparenter Glasbauteile.

Aufgaben IMKF

• Verfahrensentwicklung des Binder Jettings für Glas
• Verfahrensentwicklung des Direct Melt Printings für Glas

Projektpartner

TU Bergakademie Freiberg, Institut für Glas und Glastechnologie (IGT), Deutschland
Hebräische Universität Jerusalem (HUJI), Israel

Projektlaufzeit

06/2021 – 12/2024