3D-Druck von Glasstrukturen mit Mikrometerpräzision

Nanoscribe: Wenn Sie einmal zurückdenken, wie kamen Sie darauf, „flüssiges Glas“ zu entwickeln?

Bastian Rapp: Fast meine gesamte berufliche Laufbahn über habe ich mich besonders für die Kombination von Materialien und Prozessen interessiert. In diesem Zusammenhang war natürlich der 3D-Druck ein Thema, das mich von Anfang an fasziniert hat. Ich arbeite seit einiger Zeit an Materialien, die bei Bedarf hochauflösend 3D-gedruckt werden können, zum Beispiel in der Mikrosystemtechnik, Optik oder Mikrofluidik. Für viele dieser Anwendungen brauchen wir Materialien, die sehr widerstandsfähig sind – mechanisch, thermisch und chemisch. Dabei war Glas eines der ersten Materialien, das wir näher untersucht haben. Allerdings ist es schwierig, Glas zu bearbeiten, vor allem in einem so kleinen Maßstab. Wir haben eine ganze Weile geforscht und entwickelt, bis wir eine geeignete Methode zum Strukturieren und Formgeben von Glas gefunden haben. Der Weg über Siliziumdioxid-Nanokomposite war der vielversprechendste, wenn auch einer der schwierigsten. Glücklicherweise wussten wir aber in dieser frühen Phase noch nichts davon.

Was sind die Herausforderungen und Schwierigkeiten bei der Glasherstellung und was ist das Besondere an der Verarbeitung des Komposits?

Bastian Rapp: Zusammengefasst ermöglicht der Nanokomposit-Ansatz, Glas zu strukturieren wie es für ein Polymer üblich ist. Der Begriff Glassomer geht auf genau diese Tatsache zurück: Man strukturiert Glas und behandelt das Material dabei, als sei es ein Polymer, das man verarbeitet. Diesen Ansatz kann man mit dem Bau einer Sandburg vergleichen. Man nimmt Glas in seiner kleinsten Form, d. h. winzige Sandkörner, und verbindet sie miteinander. Wir arbeiten dabei mit kleinen Mengen eines Polymers, um diese Bindung zwischen den Partikeln herzustellen. So entsteht eine frei fließende Flüssigkeit, die sich nach dem Aushärten und der Nachbearbeitung quasi in Glas verwandeln lässt.
Bis man die endgültige Form festgelegt hat, arbeitet man bei der Herstellung mit einem Polymer und damit mit für Polymere typischen Verarbeitungstechnologien. Sobald die Form festgelegt ist, wird der Polymer-Quarzglas-Nanokomposit einer Nachbehandlung unterzogen, um das Polymer zu entfernen, sodass lediglich die Glaspartikel übrigbleiben. Im letzten Schritt werden diese miteinander verbunden, um ein dichtes Stück Glas zu erhalten. Der Name des Druckmaterials für diesen Nanokomposit für die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist GP-Silica, das wir gemeinsam mit Nanoscribe im Rahmen des Forschungsprojekts OptoGlass3D entwickelt haben.

Das klingt nach einem gelungenen Abschluss eines Forschungsprojekts, aus dem ein kommerziell erhältliches Druckmaterial hervorgeht. Können Sie noch etwas näher erläutern, woraus das Nanokomposit GP-Silica besteht und welche Vorteile es in Bezug auf die Verarbeitung bietet?

Bastian Rapp: Das Material besteht aus einem organischen und polymerisierbaren Bindemittel. Im Wesentlichen handelt es sich um ein Polymer, das bei Lichteinwirkung zu festem Kunststoff aushärtet. In diesem organischen Bindemittel sind Siliziumdioxid-Nanopartikeln dispergiert, die aufgrund ihrer geringen Größe suspendieren. Denn die Gravitationskräfte sind zu gering, um sie absinken zu lassen. Im Wesentlichen handelt es sich also um eine klare Flüssigkeit mit einer großen Menge winziger Sandpartikel darin.

Alexander Quick: Und damit das Druckmaterial optimal auf das hochpräzise Druckverfahren auf Basis von 2PP abgestimmt ist, besteht unser neuer Fotolack GP-Silica aus dieser speziellen Dispergierung aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln innerhalb des organischen Bindemittels sowie aus einigen weiteren Bestandteilen. Der flüssige Fotolack enthält somit „initiierende“ Komponenten, um die Aushärtungsreaktion effektiv auszulösen. Die Aushärtung selbst erfolgt – ähnlich wie bei anderen Nanoscribe IP Photoresins – durch radikale Polymerisation, einem bewährten 2PP-Verfahren. Der 3D-gedruckte Grünling ist ein Komposit, das aus dem Polymer und den Siliziumdioxid-Nanopartikeln besteht und in einer abschließenden thermischen Nachbehandlung zu geschmolzenem Quarzglas verarbeitet wird. Kurz gesagt nutzen wir die Verarbeitungsvorteile von Polymertechnologien zur Herstellung von Glasstrukturen.

Und warum ist ausgerechnet der hochpräzise 3D-Druck auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation so geeignet für die Mikrofabrikation von Glasstrukturen?

Alexander Quick: Wir beide kennen uns noch aus KIT-Zeiten (Anmerkung der Redaktion: Karlsruher Institut für Technologie, kurz: KIT), sodass nicht nur schon länger ein persönlicher Kontakt besteht, sondern wir auch bereits erfolgreich zusammengearbeitet haben. Nach der Gründung von Glassomer haben wir uns zum Ziel gesetzt, das Potenzial auszuloten, das die Kombination unserer beiden Technologien bietet. Im Rahmen des Forschungsprojekts OptoGlass3D, einem geförderten ATTRACT-Projekt, haben wir gemeinsam ein Verfahren zur direkten und auf 2PP-basierten Herstellung von Glasmikrostrukturen entwickelt. Den Projekterfolg konnten wir Anfang 2021 in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlichen. Die große Resonanz in Folge des Beitrags belegt das Interesse an diesen grundlegend neuen Fertigungsmöglichkeiten.

Bastian Rapp: Glas ist eines der wichtigsten Materialien für optische Anwendungen und mit dem Nanokomposit-Ansatz können bislang nicht realisierbare Strukturen hergestellt werden. Unser Material setzt jedoch eine Herstellungstechnologie voraus, die für eine hochauflösende Strukturierung und Formgebung geeignet ist. Die meisten additiven Fertigungsverfahren weisen intrinsische Artefakte bei der Herstellung auf, wie beispielsweise Schichtungsartefakte oder Stützstrukturen. Dies führt zu schlechten optischen Eigenschaften der resultierenden Komponenten. Für 2PP gilt das nicht, sodass das Druckmaterial und das 2PP-basierte Mikrofabrikationsverfahren perfekt zusammenspielen.

Welche Vorteile bietet Glas im Vergleich zu Polymeren, die den 3D-Druck dominieren?

Bastian Rapp: Glas besticht im direkten Vergleich zu Polymeren durch seine hervorragenden optischen Eigenschaften. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen unter anderem die geringe Lichtabsorption, eine auch im unteren UV-Bereich überaus hohe Transmission sowie konstante optische Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich. Darüber hinaus altert oder ergraut Glas nicht mit der Zeit. Das Material ist mechanisch beständig und chemisch inert und damit insbesondere vielversprechend für Anwendungen, die konstante Materialeigenschaften unter widrigen Umweltbedingungen erfordern.

Und was sind die Unterschiede im 3D-Druckverfahren von Glas im Vergleich zu Polymeren?

Alexander Quick: Als erste und noch immer dominierende Materialklasse im 2PP-basierten 3D-Druck wurden Polymere und die um sie herum entwickelten Prozesse seit über einem Jahrzehnt kontinuierlich verbessert. Mit GP-Silica profitieren wir von solchen Polymerprozessen, um den Glasdruck einzuführen. Natürlich sind sowohl der Druck als auch die Nachbearbeitung des Komposits einzigartig. Mit dem 10x-Objektiv konzentrieren wir uns auf die Herstellung mesoskaliger Strukturen. Ein wichtiger Grund dabei ist die erhebliche Vereinfachung der thermischen Nachbearbeitung, beispielsweise durch die Möglichkeit, den 3D-gedruckten Grünling vom Substrat zu entfernen. Insgesamt ist das der einfachste Weg, um den nicht zu vernachlässigenden und mit dem Sinterverfahren verbundenen Schrumpf während der thermischen Behandlung zu kontrollieren.

Bastian Rapp: Neben dem geringen Schrumpf ist einer der Hauptvorteile von Polymeren gegenüber Glas die Vielseitigkeit der Werkstoffklasse. Polymere gibt es in vielen Varianten, sodass ein breites Spektrum physikalischer Eigenschaften abgedeckt werden kann. Ein Beispiel: Der Brechungsindex von Glas ist nicht besonders hoch, er liegt im Bereich von 1,45. Wenn man kompaktere Optiken entwerfen will, benötigt man höhere Brechungsindizes. Es gibt Polymere, die diesen Wert deutlich unterschreiten. Wenn Sie also nach einer Materialklasse suchen, mit der Sie einen möglichst großen Bereich an Brechungsindizes abdecken, sind Polymere das Material Ihrer Wahl.

Sie haben nun beide einen gewissen Schrumpf bei der Mikrofabrikation von Glasstrukturen erwähnt. Gibt es keine Möglichkeit, dies zu vermeiden?

Bastian Rapp: Ein Nanokomposit mit 100 vol% Feststoffbeladung kann es gar nicht geben, da es sich ansonsten um dichtes Glas handeln würde. Der Schrumpf ist aber isotrop und kann daher in das digitale 3D-Modell einkalkuliert werden. Hier hat die additive Fertigung im Allgemeinen und ganz speziell 2PP einen klaren Vorteil gegenüber Replikationsverfahren, da die Vergrößerung der Komponenten bei der Arbeit mit digitalen Modelldaten ziemlich trivial ist. Beim Replikationsguss müssten Sie Ihre Form etwas größer herstellen. Aber auch das ist eine übliche Voraussetzung beim reaktiven Spritzgießen.

Dann stellt sich zugleich die Frage, wie man den Schrumpf bereits beim Design am besten berücksichtigt?

Alexander Quick: Wie auch für Polymersysteme üblich, führt der Druckprozess von GP-Silica zu einem gewissen strukturabhängigen Schrumpf des Bauteils. Insgesamt muss also der Schrumpf beim Druck und bei der thermischen Nachbearbeitung berücksichtigt werden. Zugegebenermaßen ist das etwas komplexer als beim alltäglichen Polymerdruck. Um eine Glasstruktur mit den gewünschten Abmessungen und der gewünschten Form zu erhalten, gilt es einige Iterationszyklen des gesamten Prozesses zu durchlaufen, um den Schrumpf der Struktur durch eine Änderung des Designs zu kompensieren. Auf diese Art und Weise haben wir auch all unsere Demostrukturen hergestellt. Glücklicherweise ist der Schrumpf während der thermischen Behandlung isotrop und daher vorhersehbar, sodass er recht einfach kompensiert werden kann. Wir profitieren auch von sehr kurzen Iterationszyklen von weniger als 24 Stunden, die beim 2PP-basierten 3D-Druck aufgrund der geringen Abmessungen der gedruckten Teile üblich sind. Das Design kann an einem Tag vorbereitet und gedruckt werden, sodass das Glasteil am nächsten Tag zur Prüfung bereitsteht. Die thermische Behandlung kann dabei sogar auf Knopfdruck durchgeführt werden.

Kurze Iterationszyklen sind in vielen Bereichen von Vorteil. Doch für welche Anwendungen ist 3D-druckbares Glas attraktiv und was sind die zentralen Vorzüge?

Alexander Quick: Die Kombination der additive Fertigungstechnologie von Nanoscribe mit dem Druckmaterial Glas lässt für viele auf das Anwendungsfeld Mikrooptik schließen. Insbesondere für Anwendungen, die wie Beleuchtungsoptiken eine mäßige Formtreue tolerieren, ist das richtig. Aber prinzipiell ist jede Anwendung interessant, die mit Polymeren derzeit nicht adressierbar ist und bei welcher man von den robusten Materialeigenschaften und der Belastbarkeit von Glas profitiert. Um nur einige Beispiele zu nennen: In der Mikrofluidik ist von Vorteil, dass die Strukturen harschen Bedingungen standhalten und undurchlässig sind, insbesondere wenn es um chemische Miniaturisierung, Filterung oder Chromatographie geht. In der Mikrorobotik und bei Mikromaschinen müssen die Strukturen unter Umständen hohen Temperaturen oder hohen mechanischen Belastungen während des Gebrauchs oder in nachfolgenden Verarbeitungsschritten standhalten. Und für Innovationen in den Biowissenschaften sind Strukturen gefragt, die sich zuverlässig und wiederholt sterilisieren lassen.

Was sind vielversprechende Märkte für 3D-gedruckte Glasmikrostrukturen?

Bastian Rapp: Wir können uns sehr gut vorstellen, dass diese Technologie viele Anwendungen ermöglicht, die von der Präzisions- und integrierten Optik bis hin zur Mikrofluidik, Datenkommunikation und Photonik reichen. Grundsätzlich gilt: Wann immer Materialien mit hoher Präzision, hervorragenden optischen Eigenschaften und unübertroffener Widerstandsfähigkeit benötigt werden, sollten der 3D-Druck von Glasmikrostrukturen in Betracht gezogen werden.

Alexander Quick: Mit GP-Silica und unserem speziell darauf abgestimmten Glass Printing Explorer Set als Ausgangspunkt können sich Nanoscribe-Kunden und -Systemnutzer erstmals mit dem Glasdruck in der wissenschaftlichen Mikrofabrikation vertraut machen. Unter unseren akademischen Anwenderinnen und Anwender sind weltweit führende Forschungspersönlichkeiten für ihr jeweiliges Fachgebiet. Wir sind daher zuversichtlich, dass in naher Zukunft neue wissenschaftliche Spitzenleistungen mit dem Glasdruck in verschiedenen Bereichen erbracht werden, gefolgt von Möglichkeiten zur Lösung aktueller Herausforderungen im Zusammenhang mit industriellen Anwendungen.