Hamburgs neuer Konzertsaal wurde Ende letzten Jahres eröffnet, um von Architekturkritikern auf der ganzen Welt anerkannt zu werden. Das schwebende Bauwerk hat eine Fassade aus rund 2.000 flachen und gewölbten Glasscheiben, die den Eindruck einer Welle erwecken, die gleich zu brechen droht. Das Projekt war jedoch sechs Jahre zu spät und lag Hunderte von Millionen Euro über dem Budget, wobei ein Teil der Überschreitung auf die alte, zeitaufwendige Formtechnik zurückzuführen war, mit der die Glasscheiben gebogen wurden.
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Aber was wäre, wenn die Glasscheiben einfach mit einem 3D-Drucker gedruckt worden wären?
Bisher wäre das überhaupt nicht möglich gewesen. Die am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterialien sind Polymere, und es gibt Techniken zum Drucken von Metallen, Keramik, Beton, Medikamenten und sogar Lebensmitteln. Glas ist in der Gleichung jedoch fast nicht enthalten.
„Glas ist eines der ältesten Materialien, die die Menschheit verwendet hat, und es ist erstaunlich, dass die 3D-Druckrevolution des 21. Jahrhunderts Glas bisher ignoriert hat“, sagt Bastian Rapp, Forscher am Karlsruher Institut für Technologie.
Das Team von Rapp hat eine neue Technik für den 3D-Druck von Glas entwickelt, mit der Glasobjekte hergestellt werden können, die sowohl stark als auch transparent sind. Die Technik verwendet eine herkömmliche Methode des 3D-Drucks, die Stereolithographie genannt wird. Bei der Stereolithographie baut der Drucker das Objekt Schicht für Schicht mit einer Flüssigkeit auf - üblicherweise einem Polymer -, das bei Berührung mit Laserlicht aushärtet. Das Team von Rapp hat herausgefunden, wie dies mit in einem flüssigen Polymer suspendiertem Glaspulver erreicht werden kann. Sobald das Objekt gedruckt ist, wird es in einen Hochtemperaturofen gestellt, der das Polymer abbrennt und die Glaspartikel verschmilzt, wobei nur gehärtetes Glas zurückbleibt.
Das bedruckte Glas weist, wie hier gezeigt, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit auf, wenn das Quarzglas einer Flamme von 800 Grad Celsius ausgesetzt wird. (NeptunLab / KIT) Obwohl Rapps Verfahren nicht das erste Beispiel für 3D-Druck von Glas ist - MIT-Forscher haben vor zwei Jahren ein Verfahren zum Extrudieren von geschmolzenem Glas entwickelt, während andere Teams Verfahren bei niedrigeren Temperaturen angewendet haben, die ein schwaches, trübes Produkt erzeugen -, ist es das erste, das druckt Klarglas bei niedrigen Temperaturen. Es ist auch das erste Gerät, das die Vorteile von handelsüblichen 3D-Stereolithografie-Druckern nutzt, dh, es kann ohne viel Spezialausrüstung verwendet werden.
Glas hat eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die es als 3D-Druckmaterial wünschenswert machen, sagt Rapp.
„Es gibt kaum ein Material, das so hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann wie Glas“, sagt er. "Und es gibt fast keine Chemikalie, die Glas angreifen kann, während Polymere durch UV-Licht und organische Lösungsmittel abgebaut werden können."
Das Team druckte diese dreidimensionale Glasbrezel. (NeptunLab / KIT) Glas hat auch eine Transparenz, die von anderen Materialien nicht erreicht wird. Selbst die klarsten Kunststoffe lassen sich nicht annähernd so gut beleuchten, weshalb Häuser trotz ihrer Zerbrechlichkeit Glasfenster haben. Hochwertige Kameraobjektive sind aus diesem Grund immer Glas, während die Objektive von Smartphones in der Regel aus Kunststoff bestehen.
„Deshalb ist die Qualität des Fotos, das Sie mit einem modernen Smartphone aufnehmen, im Vergleich zu einer Kamera immer schlechter“, sagt Rapp.
Mit der neuen Technik könne fast alles gedruckt werden, sagt Rapp. Es kann für kleine, komplizierte Objekte wie Schmuck, Linsen oder Computerteile oder für große Objekte wie Fenster verwendet werden. Die einzige Variable ist der Drucker selbst.
Hier ist eine dreidimensionale Struktur eines Schlosstors aus Quarzglas. (NeptunLab / KIT) Die 3D-Drucktechnik hat gegenüber nicht druckenden Verfahren zur Herstellung kleiner Glasmodelle den Vorteil, dass kein chemisches Ätzen erforderlich ist, bei dem gefährliche Flusssäure verwendet wird, und dass Hohlräume und Kanäle geschlossen werden können, was bei herkömmlichem Glas nicht möglich ist -bläst. Und es hat möglicherweise auch einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber nicht druckenden Verfahren der Glasherstellung.
Das Rapp-Team verwendete für seine Recherchen einen kostengünstigen, nicht modifizierten Drucker eines Typs, der von jedem Heimfan gekauft werden kann.
"Es ist eine gut etablierte technologische Plattform in Bezug auf Maschinen, und es ist ein anerkanntes und bekanntes Material", sagt Rapp. "Das einzige, was wir gemacht haben, war die Brücke dazwischen."
Die Forschungen des Teams wurden diesen Monat in der Zeitschrift Nature veröffentlicht .
Rapp hat eine Firma gegründet, um die Technik zu vermarkten. Er hofft, bis Ende des Jahres ein erstes Produkt auf den Markt zu bringen.
