Ditmaal een wat technischer artikel. Sorry voor de vele vaktermen, maar het is wel reuze boeiend! Een van de allernieuwste technieken waaraan de laatste jaren hard gewerkt is, is het 3D printen van glas. Een paar jaar geleden heb ik hier al eens een blog over gepubliceerd, maar inmiddels zijn grote stappen gemaakt! Hier dus een nieuw overzicht.
Het 3D printen van plastic, metalen (zoals zilver), ceramiek, beton is allemaal al enige tijd commercieel mogelijk. Glas bleef lang achter. Dat komt ten eerste door de zeer hoge temperaturen die glas nodig heeft. Denk aan temperaturen van rond de 1000 tot 1200 graden Celsius voor “gewoon” glas (silica lime), of 1400-1600 graden Celsius voor laboratorium glas (borosilicaat) en kwartsglas (siliciumoxide). Dat vraagt nogal veel van je apparatuur.
Daarbij stelt glas hele specifieke eisen aan het afkoelproces (zie de pagina over temperaturen). Daardoor is het aanzienlijk minder eenvoudig om gesmolten glas te printen: als glas te snel of te onregelmatig afkoelt onder de bovenste annealtemperatuur (ca. 500 – 550 graden Celsius) ontstaat er spanning. Door die spanning barst het werk. Soms ontstaan die barsten meteen, soms pas na enkele jaren.
Die twee problemen moeten dus worden opgelost. Dat kon al langere tijd met een beetje “faken”, maar sinds kort ook in het echt!
Fake 3D printen van glas
Bij Glass & Art hebben we meerdere 3D printers staan, en daarmee werken we af en toe ook voor het maken van glasobjecten. Maar, dan printen we niet echt met glas. We faken de boel een beetje.
Er zijn twee manieren om een “normale” 3D printer in een “gewone” glasstudio te gebruiken. De eerste is nogal voor de hand liggend. We kunnen printen in kunststof en vervolgens kunnen we dan mallen maken. Dit werkt op dezelfde manier als gewone mallen maken. Met de eeuwenoude verloren-was-methode, kunnen we glas of brons gieten, en voila, een 3D print object. Technisch niet spectaculair, maar het geeft toch wel weer veel nieuwe mogelijkheden!
De tweede manier waarop we een “normale” 3D printer gebruiken is de manier waarop de software van een 3D printer naar objecten kijkt. Als ik een 3D tekening maak in software zoals bijvoorbeeld Z-Brush, dan kan deze niet zomaar geprint worden. De tekening moet “gesliced”: het getekende object wordt dan letterlijk in laagjes gesneden. Een beetje zoals een MRI scan laagjes weergeeft van een patiënt. Die bestanden van 2D laagjes kun je vervolgens uit glas (laten)snijden. Dit heb ik gedaan voor het onderstaande beeld. Meer dan 400 glasplaatjes, genummerd, komen dan in een vrij zware doos het atelier binnen. Na enkele dagen minutieus lijmen, ontstaat er dan een mooi groot beeld (ca. 56 cm breed), waarvan de ribbelstructuur iedereen laat denken dat het uit de 3D printer komt.
Heel mooi, maar eerlijk is eerlijk, en fake is fake!
Half fake 3D printen van glas
Een veel onderzochte techniek voor het 3D printen van glas is ontwikkeld in Duitsland. Het is qua benodigde apparatuur de meest praktische techniek, en heeft als grote voordeel dat je de printlijnen minder goed ziet. Wat ze doen is het oplossen van zeer kleine glasdelen in een resin (al dan niet vloeibaar). Met deze resin wordt een object geprint, dat vervolgens een oven in gaat. Die oven verbrandt eerst het resin, en daarna wordt het object tot ca. 1000 graden verhit zodat de glasdelen aan elkaar kleven, zonder het hele glas smelt.
Op youtube vind je een van de eerste films van deze techniek.
Dit kan – aan de Universiteit van Californië (UC) – ook op nanoschaal: deeltjes met een dikte van ongeveer een duizendste van een haar. Dat geeft geweldig mooie mini-objecten (enkele mm groot) voor wetenschap, meetapparatuur en het maken van nieuwe materialen uit vloeistoffen. Hier een boeiende video:
Het is niet echt het printen van glas, maar het printen van glasdeeltjes in een kunststof, en dat heeft ook een nadeel. Het werk zal aanzienlijk krimpen door het uitstoken van de resin en het sinteren van het glas. Een ander nadeel is dat het voor kleine, zeer nauwkeurige prints erg goed werkt, maar voor grotere prints te kwetsbaar is.
Het echte werk!
Dus, hoe dan écht 3D printen met glas? Het Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft zomer 2015 als eerste een techniek ontwikkeld die daadwerkelijk met gesmolten glas print. Ze smolten daarvoor het glas in een aparte oven (vergelijkbaar met de “gewone” glasblaasoven) en laadden de smeltkroes in de printer met een massa (a gather) vloeibaar glas. De printer is geplaatst boven een oven die het glas net boven de annealtemperatuur houdt. Na afloop van het printproces koelt de oven langzaam het glas af. Dat gaf hele mooie resultaten, al blijf je wel nog de printlijnen duidelijk zien. Hieronder een filmpje van deze eerste 3D printers:
De nadelen zijn nogal duidelijk. Met de methode van MIT heb je nog steeds drie ovens uit de glasblazerij nodig, mensen met basisvaardigheden in glasblazen, en een behoorlijke berg stroom. Dat schiet natuurlijk niet echt op.
Inmiddels zijn de ontwikkelingen al weer bijna 10 jaar verder. Een van de koplopers op gebied van 3D printen van glas is nu Maple Glass. Zij hebben het proces aan zienlijk gebruiksvriendelijker gemaakt en veel energiezuiniger. Maple Glass werkt met 2 ovens: de annealoven en een optionele, vrij simpele, stringeroven. Een stringeroven is een relatief kleine oven die het filament van glas maakt. Die filamenten zijn koud en zouden gewoon los verkocht kunnen worden. Wij maken immers ook niet het kunststof voor onze 3D printers zelf: die koop je gewoon op rol.
Het koude filament (glasdraad) laden ze direct in de printer. Net als bij kunststof printen wordt alleen de kop van de printer heet: dat scheelt enorm veel energie. De kop print – net als de MIT opstelling – direct in de annealoven. Langzaam afkoelen en klaar!
Nu bestaat het geheel dus nog uit twee elementen (filament maken en printen). Je zou dus losse filamenten kunnen kopen, maar voor de professionele markt zijn ze nu ook aan het werk aan één opstelling, waarin je boven (gerecyclede) glasscherven of nuggets kunt gieten en waar dan onder het kant en klare product uit komt. De stringeroven zit dan vast aan de printer. Wil je zien hoe dit werkt, en nog meer weten over de details van het 3D printen van glas? Dan is deze youtube echt een aanrader!