4D-Druck: LLNL Forscher entwickeln Silikonmaterial mit Formgedächtnis

Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA ist es gelungen flexible und dehnbare Strukturen aus Silikon-Verbundmaterialien herzustellen, die zudem über ein Formgedächtnis verfügen. Das Material könnte für die Fertigung von Polsterungen bei Helmen oder Schuhen verwendet werden, die sich durch Wärme an den Körper anpassen.

Dazu hat das Forscherteam hohle, mit Gas gefüllte “Mikro-Ballons” in das Silikon-Druckmaterial eingefügt und es damit so konstruiert, dass es bei höherer Temperatur komprimiert werden kann. Nach dem Abkühlen behält die Struktur diese Form bei. Durch erneutes Erwärmen kann die Struktur wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden, da sich das Gas in den Hohlräumen ausdehnt. Indem dieses neuartige Material mit 3D-Drucktechnologie kombiniert wird, sprechen die Forscher von “4D-Druck”, mit der Zeit als vierte Dimension.

“Beeindruckend war vor allem wie genau die Strukturen ihre ursprüngliche Form wieder annehmen konnten, wenn sie erwärmt wurden,” erklärt LLNL Forscherin und Erstautorin der Studie Amanda Wu. “Wir haben keine verzerrten sondern völlig wiederhergestellte Strukturen beobachten können. Da das Silikon komplett vernetzt ist, hält es die Struktur zusammen, sodass diese ihre ursprüngliche Form in einer vorhersehbaren und wiederholbaren Weise wieder annimmt.”

Schlüssel zu dem Formgedächtnis sind die in das Silikon-Material eingebetteten Mikro-Bläschen aus Polymer, dessen innere Hülle über eine Glasübergangstemperatur verfügt. Unter dieser Temperatur ist die Hülle fest und glasartig, während sie über dieser Temperatur weich und verformbar wird.

Das Silikon-Verbundmaterial wurde mit der Direct-Ink Writing 3D-Technologie zu Strukturen mit vorab bestimmter Form und Porösität verarbeitet. Laut den Forschern könnten diese sogenannte Mikro-Ballons auch in jedes andere Polymer-basierte Material integriert werden, darunter auch dehnbare Materialien wie Elastomere.

Einsatzbereiche dafür sieht man bei thermisch aktivierbarer Polsterungen für Schutzkleidung, die sich auf den Körper des Trägers anpasst. Durch das Regulieren der Glasübergangstemperatur der Bläschen unter die Körpertemperatur würde sich das Material unter Hitze komprimieren lassen und sollte dann unter Körpertemperatur gelagert werden. Beim Tragen dehnt es sich dann aus und passt sich beispielsweise an die Kopfform im Helm an.

“Man könnte es für jegliches Material das mechanische Energie absorbieren soll einsetzen,” erklärt Materialforscher Eric Duoss. “Der Clou dabei ist, dass sich das Material jederzeit neu anpassen lässt, beispielsweise wenn der Träger sich noch im Wachstum befindet – einfach erwärmen, anziehen und abkühlen lassen.”

Douss fügt abschließend hinzu, dass das zum Patent angemeldete Material über großes kommerzielles Potential verfügt und reif für den Technologietransfer in die Industrie sei.

Die Publikation mit dem Titel “3D Printed Silicones with Shape Memory” wurde im Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht.