Additive Fertigung auf Wasserglasbasis via NIR-Laserstrahlung

Die additive Fertigung hat sich als Schlüsseltechnologie zur Herstellung individualisierter und hochkomplexer Bauteile etabliert. Ihr Einsatz beschränkt sich jedoch bislang überwiegend auf polymere Werkstoffe und einige Metalle. Insbesondere polymerbasierte Verfahren stoßen hinsichtlich thermischer und chemischer Beständigkeit sowie der Recycelbarkeit der eingesetzten Materialien an ihre Grenzen. Das Vorhaben „3D-Wasserglas“ verfolgt daher die Entwicklung einer neuartigen additiven Fertigungstechnologie zur Herstellung rein anorganischer Formkörper auf Basis flüssiger Alkalisilicate (Wassergläser).

Der innovative Kernprozess basiert auf der selektiven Verfestigung des flüssigen Ausgangsmaterials durch laserinduzierte Dehydratation mittels nahinfraroter (NIR-)Laserstrahlung. Im Gegensatz zu photopolymerbasierten Verfahren erfolgt die Verfestigung ohne organische Bindemittel oder Photoinitiatoren ausschließlich durch den Entzug des im Wasserglas gebundenen Wassers. Kurzwellige NIR-Laserstrahlung ermöglichen gegenüber CO₂-Lasersystemen kleinere Fokusdurchmesser und damit höhere Bauteilauflösungen. Zugleich erlauben kompakte, energieeffiziente Laserquellen eine wirtschaftlich und industriell nutzbare Anlagentechnik.

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung neuer, an die NIR-Laserstrahlung angepasster Wasserglasmaterialsysteme mit anorganischen Additiven. Diese dienen der gezielten Einstellung der Materialeigenschaften sowie der Anpassung des Absorptionsverhaltens an die verwendete Laserstrahlung und bilden damit die Grundlage für einen stabilen, reproduzierbaren Verfestigungsprozess. Parallel hierzu werden geeignete Prozessstrategien entwickelt sowie eine teilautomatisierte Technikumsanlage zur additiven Fertigung ausgelegt, aufgebaut und experimentell validiert.

Die entstehenden anorganischen Bauteile lassen gegenüber polymerbasierten Werkstoffen eine höhere thermische, chemische und UV-Beständigkeit sowie gute Recycelbarkeit erwarten. Gleichzeitig bietet das Verfahren Potenzial für geringe Produktionskosten und eine niedrige CO₂-Bilanz. Anwendungen werden insbesondere im Bau- und Brandschutz, in der Gießerei- und Mikrosystemtechnik, im Prototypenbau, der Schmuckindustrie sowie der Sensorik gesehen. Das Vorhaben leistet damit einen Beitrag zur Entwicklung ressourcenschonender, nachhaltiger Fertigungstechnologien und eröffnet neue Perspektiven für den industriellen Einsatz additiv gefertigter, rein anorganischer Bauteile.