Digitaler 3D Laserdruck von festem Glas

• Antragsteller: Dr. Jürgen Ihlemann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464599575

Die digitale additive Fertigung von Glas im festen Zustand durch laserinduzierten Vorwärtstransfer wird erstmalig erforscht und erprobt. Dieser Prozess wird die Herstellung von Mikrobauteilen aus vorfunktionalisiertem Glas ermöglichen (z.B. dotiertes, strukturiertes oder räumlich modifiziertes Glas). Verglichen mit vielfach verwendeten Polymermaterialien weist Glas überlegene optische, thermische und mechanische Eigenschaften auf, wie sie z.B. für Anwendungen in optischer Kommunikationstechnik, optischen Sensoren und Mikrofluidik erforderlich sind. Das Ausgangsmaterial sind wenige µm dicke „Donor“-Filme aus Quarzglas oder Borosilikatglas, die auf transparenten „Carrier“-Substraten aufgebracht werden. Mit Hilfe von Lasern werden Glaskomponenten nach dem „Lego“-Prinzip aufgebaut. Glas-Legosteine mit einer Höhe im µm-Bereich und Breiten von einigen 10 µm werden nebeneinander und übereinander gedruckt. Der Unterschied zum klassischen Lego ist, dass die Steine nicht aus einem Vorratsbehälter entnommen werden, sondern aus dem vorbereiteten Donor-Film ausgestanzt und digital Stück für Stück oder parallelisiert Satz für Satz auf die Empfängerplatte transferiert werden. Ausstanzen und Transfer erfolgen in einem einzigen Schritt induziert durch einen ultravioletten Nanosekunden-Laserpuls. Die Verwendung zusätzlicher Absorber- und Haftfilme wird erprobt, um die spezifischen Herausforderungen der Laser-Glasbearbeitung zu adressieren. Ein Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zur additiven Formung aus der Glasschmelze ist die signifikant kleinere erreichbare Strukturgröße. Weiterhin bleibt durch die nur moderate thermische Belastung die innere Struktur der Glasbausteine, die in Zukunft gezielt vorgegeben werden kann, erhalten.Auf der Basis des Drucks von festem, vorfunktionalisiertem Glas ist die Realisierung eines Baukastens zur Herstellung komplexer Mikro- und Nanosysteme möglich. Systeme aus Bauteilen mit vollkommen unterschiedlicher Vorbehandlung können auf einer gemeinsamen Plattform zusammengestellt werden. Ins Glas eingeschriebene Wellenleiter und ablatierte Nanokanäle oder Gräben können kombiniert werden, dotiertes Glas kann neben oder über Glas mit implantierten Nanopartikeln gedruckt werden.In Kombination mit den bereits etablierten Prozessen zum Drucken von Polymeren, Pasten und Metallen wird das Drucken von Glas die Multimaterial-Prozessierung durch Laser-Transfer ermöglichen. Dies zeigt einen Weg zur Mikrofabrikation kombinierter elektronisch/photonisch/plasmonischer Schaltkreise und Systeme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen