Ein Wissenschaftsteam der University of Texas hat eine Methode entwickelt, mit der ein speziell entwickeltes Resin so ausgedruckt werden kann, dass es wahlweise feste oder weiche Materialeigenschaften annimmt. Ein mit diesem Resin gedrucktes Objekt kann also etwa eine weiche Außenhülle haben, aber trotzdem im Kern stabil sein.
Die Inspiration für das Druckverfahren habe die Natur gegeben, heißt es von Zak Page, Assistenzprofessor für Chemie und einer der Autoren der Studie "Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing", die in Nature Materials erschienen ist.
Die Natur kombiniert harte und weiche Materialien an ihrer Schnittstelle ohne Fehler, sagt Page. Genau das wollten die Forscher nachahmen. Dazu entwickelten sie ein spezielles flüssiges Resin für ein Druckverfahren, das ultraviolettes Licht (UV-Licht) zum Aushärten der einzelnen Schichten nutzt.
Lichtfarbe bestimmt die Materialeigenschaft
Statt allerdings UV-Licht wie herkömmlich nur in einer Lichtfarbe zu nutzen, setzen die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Lichtfarben ein. Je nachdem, welche Wellenlänge das Licht aufweist, werden verschiedene chemische Prozesse in dem Druckharz ausgelöst. Unter hellem violetten Licht nimmt das Resin eine gummiartige Konsistenz an. Wird es jedoch energiereicherem ultraviolettem Licht ausgesetzt, dann härtet es beim 3D-Druck zu einem festen kunststoffartigen Material aus. Da das Ursprungsmaterial gleich ist, können die gedruckten Elemente trotz ihrer verschiedenen Eigenschaften problemlos miteinander kombiniert werden, ohne dass es an den Nahtstellen zu Haltbarkeitsproblemen kommt. Es entstehen dadurch also keine Schwachstellen.
"Wir haben ein Molekül mit beiden reaktiven Gruppen eingebaut, damit unsere beiden Verfestigungsreaktionen an der Schnittstelle 'miteinander kommunizieren' können", erklärt Page.
Zum Test des Verfahrens druckten die Forscher mit ihrem neuen 3D-Druckerfahren ein künstliches Kniegelenk aus, das aus weichen Bändern und harten Knochen besteht. Das Gelenk ließ sich bewegen, ohne dass es an den Schnittstellen zu Materialbrüchen oder späteren Ermüdungserscheinungen kam.
Die Wissenschaftler waren selbst davon überrascht, wie gut das Resin funktionierte. "Die weichen Teile dehnten sich wie ein Gummiband und sprangen zurück. Die harten Teile waren so stabil wie ein Kunststoff, wie sie in Konsumgütern verwendet werden“, sagt Page.
Die Wissenschaftler probierten das Verfahren zusätzlich an einem elektrischen Schalter aus. Ein Teil des Schalters ist weich und beweglich, sodass ein eingearbeiteter elektrischer Kontakt geschaltet werden konnte. Ein anderer Bereich ist dagegen hart ausgeführt, um den Schalter vor dem Zerbrechen zu bewahren.
Die Forscher der University of Texas waren selbst überrascht, dass das Resin auf Anhieb die gewünschten Eigenschaften aufwies. Das komme bei neu entwickelten 3D-Druckharzen "so gut wie nie vor".
(olb)
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