Development of novel thermoplastic nanocomposite materials for the shaping of transparent glass and ceramics by injection molding and fused deposition modelling

Abstract: Gläser wie Quarzglas und transparente Keramiken wie Magnesiumaluminat-Spinell besitzen hochinteressante Materialeigenschaften wie hohe Transparenz in Verbindung mit hoher chemischer, thermischer und mechanischer Stabilität, insbesondere im Vergleich zu transparenten Kunststoffen. Diese Eigenschaften machen transparente Gläser und Keramiken zu perfekten Kandidaten für eine Vielzahl an Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen, von der Optik und Photonik bis hin zu kratzfesten Verbraucherprodukte, Mikrofluidik oder Behältern wie Impfstoff Phiolen. Glas und Keramik sind jedoch von Natur aus schwer zu formen und erfordern in der Regel komplexe und zeitaufwändige Schleif-, Polier- oder Ätzverfahren, die mit hocheffizienten Kunststoff Formgebungsverfahren wie dem Spritzguss nicht konkurrieren können. Daher werden Gläser oder Keramiken häufig durch Kunststoffkomponenten ersetzt, auch wenn deren Eigenschaften oft ungeeigneter sind.
In dieser Arbeit wird eine Reihe von Publikationen vorgestellt, die darauf abzielen, das Problem der Entscheidung zwischen schneller und effizienter Herstellung und überlegenen Materialeigenschaften zu umgehen, indem transparentes Quarzglas und transparenter Magnesiumaluminat-Spinell für Kunststoff-Spritzguss- und Extrusionsverfahren verfügbar gemacht werden. Dadurch können sie mit der Polymerherstellung im industriellen Maßstab konkurrieren. Im Detail wurden neuartige thermoplastische Quarzglas- und Magnesiumaluminat-Spinell-Nanokomposite entwickelt, die aus in einer thermoplastischen Bindermatrix dispergierten Nanopulvern bestehen. Diese thermoplastischen Nanokomposite können bei milden Temperaturen von ~ 140 °C mit Standardkunststoff-verarbeitungsmaschinen wie Spritzgussmaschinen mit Zykluszeiten von nur 5 s pro Stück geformt werden. Die geformten Nanokomposite werden in transparentes Quarzglas oder transparenten Magnesiumaluminat-Spinell umgewandelt, indem die organische Komponente durch ein Entbinderungsverfahren entfernt wird und die Pulver durch anschließende Wärmebehandlungen, z. B. durch ein Vakuumsinterverfahren für transparentes Quarzglas und durch Vorsintern an der Luft, gefolgt von heißem isostatischem Pressen für transparenten Magnesiumaluminat-Spinell, verdichtet werden. Die endgültigen Glas- und Keramikkomponenten wurden charakterisiert um zu zeigen, dass sich die endgültigen Materialeigenschaften nicht von handelsüblichem Quarzglas und Magnesiumaluminat-Spinell unterscheiden.
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Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Quarzglas-Nanokomposit so angepasst werden kann, dass es die Herstellung flexibler, kontinuierlich wickelbarer Filamente ermöglicht, die für den FDM (engl. fused deposition modelling) 3D Druck verwendet werden können, was ein schnelle Prototypenfertigung von komplexem 3D-geformtem Quarzglas Bauteilen, den Multimaterialdruck unter Verwendung von metalldotierten Nanokompositen für die Herstellung von Farbgläsern sowie die Herstellung von hohen, dünnwandigen Glasbehältern im Einzelstrang Druckverfahren ermöglicht.
Alles in allem ermöglichen die neuartigen thermoplastischen Nanokomposite die Übertragung der allgemein bekannten, vielseitigen, schnellen und effizienten Kunststoff Formgebungsverfahren auf die Fertigung und Formgebung von transparentem Quarzglas und Magnesiumaluminat-Spinell, so dass diese Materialien im industriellen Maßstab mit Polymeren konkurrieren können

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Glas ; Thermoplast ; Transparentes Material ; Nanokomposit ; Herstellung ; Stoffeigenschaft

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2024
• Urheber: Mader-Schmidt, Markus
• Beteiligte Personen und Organisationen: Rapp, Bastian E. ; Mülhaupt, Rolf ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/258424
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2584247
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 15.08.2025, 07:34 MESZ