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Jun 02, 2023

Injektion

Glas ist eines der ältesten Materialien der Menschheit und wird immer noch häufig für alles verwendet, von Trinkgefäßen und Verpackungen bis hin zu Optik und Kommunikation. Leider sind die Methoden zum Arbeiten mit

Glas ist eines der ältesten Materialien der Menschheit und wird immer noch häufig für alles verwendet, von Trinkgefäßen und Verpackungen bis hin zu Optik und Kommunikation. Leider stecken die Methoden der Glasbearbeitung in der Vergangenheit fest. Die meisten Methoden erfordern viel hohe Hitze im Bereich von 1500 °C bis 2000 °C und alle sind hinsichtlich der Komplexität der herstellbaren Formen begrenzt.

Was die Herstellung von Formen betrifft, kann Glas geblasen und geschmolzenes Glas in Formen gepresst werden. Glas kann auch geschliffen, geätzt oder im Ofen gegossen werden. Glas wäre für viele Anwendungen fantastisch, wenn es nicht die ganze Sache mit der begrenzten Geometrie gäbe. Aufgrund der Einschränkungen bei der Glasformung werden einige optische Linsen aus Polymeren hergestellt, obwohl Glas bessere optische Eigenschaften aufweist.

Im Idealfall könnte Glas wie Kunststoff spritzgegossen werden. Dies hätte zwei Vorteile: Kompliziertere Formen wären möglich und die Herstellungszeit wäre viel kürzer. Nun, das Warten hat ein Ende. Forscher der Universität Freiburg haben eine Möglichkeit gefunden, Spritzguss auf Glas anzuwenden. Und es ist nicht irgendein Glas – sie haben hochwertiges, transparentes Quarzglas hergestellt, und das bei niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen Methoden. Das Team nutzte Röntgenbeugung, um zu verifizieren, dass das Glas amorph und frei von Kristallen ist, und konnte seine optische Transparenz auf drei Arten bestätigen – Lichtmikroskopie, UV-sichtbare und Infrarotmessungen. Es kam lediglich ein winziges Stück Staub zum Vorschein, was außerhalb eines Reinraums zu erwarten ist.

Das sind aus zwei wichtigen Gründen aufregende Neuigkeiten: Das Spritzgießen öffnet die Tür zu komplexen Formen und ist außerdem weniger energieintensiv als herkömmliche Glasformverfahren. Das Team begann diese Reise im Jahr 2017, indem es einen 3D-Drucker hackte, um Glaspaste anstelle von Kunststoff zu verspritzen. Dazu stellten sie ein druckbares Pulver aus Silica-Nanopartikeln und einem UV-härtbaren Polymer her. Während es bei der Herstellung komplexer Formen sicherlich funktionierte, war das Drucken und Aushärten ein langsamer, einzelner Prozess.

Aber jetzt haben sie das Verfahren auf Spritzguss umgestellt. Was ist also das Geheimnis? Weitere Polymere aus dem Weltraumzeitalter. Sie begannen erneut mit Silica-Nanopartikeln und fügten Polyethylenglykol (PEG) und Polyvinylbutryal (PVG) hinzu. Dadurch entstand eine Paste, die sie in einen Extruder einspeisten, und der Extruder spritzte das plastifizierte Glas in kleine, komplizierte Formen, die wie winzige Zahnräder, Scheiben und Türme geformt waren.

Sobald sie aus der Form kommen, halten die Stücke dank der Van-der-Waals-Wechselwirkungen, die zwischen den Silica-Partikeln auftreten, zusammen. Dabei handelt es sich um schwache elektrostatische Kräfte, die Moleküle aneinander binden. Für eine dauerhaftere Verbindung weichen die Forscher die Stücke zunächst mehrere Stunden lang in Wasser ein, um das PEG abzuwaschen. Dann brennen sie die Stücke in zwei Schritten – einmal bei 600 °C, um das PVB zu verbrennen, und ein zweites Mal bei 1300 °C, um die Silikatpartikel miteinander zu verschmelzen. An diesem Punkt ist der Kunststoff verschwunden und alles, was übrig bleibt, ist Glas.

Dr. Frederik Kotz, einer der Forscher und Gruppenleiter beim Material-Startup Glassomer, sagte zu ihrer Entdeckung:

Insbesondere für kleine Hightech-Glasbauteile mit komplizierten Geometrien sehen wir großes Potenzial. Neben der Transparenz macht auch der sehr geringe Ausdehnungskoeffizient des Glases die Technologie interessant. Sensoren und Optik funktionieren bei jeder Temperatur zuverlässig, wenn die Schlüsselkomponenten aus Glas bestehen.

Obwohl das Spritzgießen schneller ist als der Druck- und Aushärtungsprozess des Teams vor einigen Jahren, gibt es einen Haken: Das Abwaschen des PEG muss über mehrere Tage erfolgen, damit das Glas nicht bricht. Sicherlich wird jemand einen Weg finden, es schneller zu machen. Vielleicht schon bevor die Welt das nächste Mal Glasfläschchen für Milliarden Dosen eines neuen Impfstoffs braucht.

Bilder über Glassomer