3D Laserdirektschreiben von Glasmikrostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Ernst Rapp
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529880944

Glas ist eines der ältesten Materialien der Menschheit, das älteste Glasobjekt stammt aus dem Jahr 5000 v.Chr., wobei die Prozesstechnologie von Glas in den letzten fünf Jahrhunderten kaum weiterentwickelt wurde. Mit der Entwicklung des Glas-3D-Drucks steht seit kurzem eine neue Technologie zur Herstellung komplexer Glasobjekte zur Verfügung. Allerdings erreichen die durch Mikrostereolithographie hergestellten Glasbauteile für viele Anwendungen noch nicht die notwendigen Auflösungen. Dies liegt hauptsächlich an den typischen Problemen der Ein-Photonen-Polymerisation (1PP), wie beispielsweise der Schicht-auf-Schicht-Struktur. Das Projekt 3DGlass wird die Herstellung von Glas-Mikrostrukturen durch direktes 3D-Laserschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) entwickeln. 2PP bietet einerseits Designfreiheit und andererseits die notwendigem Auflösungen. Die Möglichkeit, komplexe 3D-Strukturen mittels eines direkten Schreibprozess zu erzeugen, wäre eine Durchbruch für viele Schlüsseltechnologien wie Präzisions- und Mikrooptik. Im Rahmen des Projektes werden Glasnanokomposite, die sogenannten Glassomere eingesetzt, die bisher für 1PP verwendet wurden und seit kurzem auch für 2PP untersucht werden. Allerdings konnten bisher weder die geforderten Auflösungen noch die notwendigen Verarbeitungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Wir werden darüber hinaus untersuchen, wie poröse Glasmonolithe über 2PP hergestellt werden können. Eine solche Technologie würde die Herstellung technisch poröser Glaskörper für Anwendungen in der Analytik, der chemischen Prozessaufbereitung, der Katalyse und der Präzisionsoptik ermöglichen. Die Forschungshypothese dieses Projekts ist, dass es aufbauend auf den Vorarbeiten der beiden Gruppen möglich sein sollte, Glassomer für die hochauflösende und schnelle Strukturierung über 2PP weiterzuentwickeln. Wir werden untersuchen, wie durch die Anpassung der Materialzusammensetzung die Volumenporosität eingestellt werden kann. Ziel des Projektes ist, eine Nanokomposit-Formulierung für die 2PP-Strukturierung von Glas mit einer Auflösung von 1 µm und Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 100 cm/s zu entwickeln. Darüber hinaus wollen wir eine Materiallösung bereitstellen, die es erlaubt, mittels 2PP poröse Gläser mit Porositäten im Bereich von einigen 10 bis 100 nm zu erzeugen. Hierfür müssen mehrere technische Barrieren überwunden werden. Zunächst muss ein entsprechend empfindliches Photoinitiator-, Coinitiator- und Vernetzungssystem gefunden werden, das eine 2PP-Strukturierung der Glassomer-Nanokomposite ermöglicht, ohne dabei zur Gelierung während der Verarbeitung oder zur Kristallisation des Glases in der Nachbearbeitung zu führen. Zweitens muss eine Formulierungsmodifikation entwickelt werden, die eine Einstellung der Porosität der Glaskomponente über 2-3 Längenskalen ermöglicht. Drittens sollen untersucht werden, ob es ermöglich ist, mittels 2PP Bauteile direkt innerhalb von bestehenden Glassomer-Strukturen herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Arnaud Spangenberg, Ph.D.