EnvisionTEC 3D-Drucker zur Forschung an bioinspirierten Materialien

Forscher des Laboratory for Advanced Materials and Bioinspiration an der McGill Universität in Kanada entwickeln und erproben mit dem Einsatz eines EnvisionTEC Desktop-3D-Drucker neue Arten von bioinspirierten Materialien.

Immer öfter nehmen sich Forscher und 3D-Druck-Enthusiasten ein Beispiel an Mutter Natur, wenn es darum geht neue Materialien oder Strukturen zu entwickeln. Besonders wenn es sich um spezielle Schutzausrüstung dreht, analysieren Forscher immer wieder tierische Schalen wie Panzer, Schuppen oder Muscheln, um deren Struktur und Eigenschaften mittels 3D-Druck zu imitieren.

Auch das Laboratory for Advanced Materials and Bioinspiration an der McGill Universität in Montreal, Kanada, forscht und arbeitet stetig daran innovative sowie bioinspirierte Materialien zu entwickeln. Beispielsweise analysierten die McGill-Forscher bereits Fische, Alligatoren sowie Gürteltiere, um Einblicke die Struktur deren natürlichen Panzerung zu bekommen. Durch den Einsatz von 3D-Drucktechnologien bei diesem Vorhabe gelang es dem Forscher-Team schlussendlich diese Strukturen zu imitieren und in weiterer Folge zu testen sowie zu optimieren.

Für eben solche Analysen sowie die Erstellung physikalischer Modelle nutzt das McGill-Team den Micro Plus Hi-Res 3D-Drucker der Firma EnvisionTEC. Der Einsatz dieses 3D-Druckers erleichtert, im Gegensatz zu virtuellen Tests und Analysen mit Computermodellen, die Bestimmung von mechanischen Eigenschaften.

“Computermodelle werden schnell komplex und es fällt ihnen schwer, die Physik dessen, was in solchen Fällen vor sich geht, zu erfassen”, erklärt Francois Barthelat, Laborleiter und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau von McGill. “Es ist sehr einfach, die Spannungen und die Verformung einer einzelnen Komponente unter einer bestimmten Belastung zu berechnen. Wenn Sie jedoch zwei Komponenten in Kontakt haben, müssen Sie verwalten, was im Kontakt passiert, und dies … schafft numerische Probleme und wird sehr teuer in der Modellierung, selbst für nur ein Kontaktpaar.”

Weiters fügte er hinzu:

“Wenn du versuchst zu erfassen, was mit Dingen wie Fischschuppen passiert, wo du vielleicht 10, 20 oder 30 Kontaktpaare hast, wird es ein Albtraum. Es ist einfach nicht sinnvoll, mit einem Computer numerisch zu analysieren. Interessanterweise ist es in diesen Fällen viel schneller, einfacher, zuverlässiger und genauer, die Skalen mit bis zu 10 oder 20 Objekten zu drucken und direkt mechanische Tests durchzuführen.”

Unter der Leitung von Barthelat 3D-druckten der Professor und seine Schüler maßstabgetreue 3D-Komponenten aus ABS und ordneten diese in einem 5×5 Feld an. Diese 3D-Komponenten wurden in weiterer Folge auf ein Polyurethan-Substrat, ein weiches sowie flexibles Material, angeklebt, um eine Reihe von Tests, darunter Stichversuche mit einer eigens 3D-gedruckten Nadel an der Oberfläche, durchzuführen.

Im Rahmen dieser Forschung testete das Team diverse von der Natur inspirierte Anordnungen. Schlussendlich stellte sich heraus, dass die 3D-gedruckte Struktur von Ganoidschuppen (Schuppenart urtümlicher Knochenfische) am effektivsten war. Weiters betonen die Forscher, dass der Einsatz von EnvisionTEC’s DLP-3D-Drucker enorm zu diesem Vorhaben beigetragen hat.

“Was wir am EnvisionTEC-Drucker wirklich schätzen, ist, dass seine DLP-Technologie das Polymer durch eine Membran freilegt, um ein dichtes, porenfreies und vollständig isotropes Teil zu bilden”, erläutert Barthelat. “Dies bedeutet, dass die Steifigkeit und die Festigkeit in allen Richtungen gleich sind, was das Testen und die Analyse der 3D-gedruckten Teile erheblich erleichtert.”

Weiters erklärt der Forschungsleiter die wesentlichen Unterschiede sowie Vorteile des EnvisionTEC Materials gegenüber FDM:

“Bei anderen Technologien, die wir untersucht haben, wie bei der Schmelzablagerung und anderen gebräuchlichen Technologien, die Schicht für Schicht aufbauen, bleiben Spaltebenen übrig, die man bei mechanischen Tests sieht. Wenn Sie Ihre Bauteile entlang der Z-Achse bauen, wird beim Aufbrechen der Komponente im Allgemeinen eine Spaltebene über dieser Achse angezeigt. Das sind sehr schlechte Nachrichten, weil es sehr schwierig ist, Ihre mechanischen Tests mit dem Modell zu vergleichen. Wenn die Dinge nicht isotrop sind, verkompliziert es die ganze Geschichte. Die EnvisionTEC produziert Material, das wirklich isotrop ist, so dass wir sehr gute Übereinstimmungen zwischen Modellierungs- und experimentellen Daten erhalten konnten. “

Auch experimentiert die Forschungseinrichtung mit der Entwicklung von vernähten oder auch Puzzle-artigen Materialien. Vor allem für das Vorhaben, Materialien herzustellen, welche wie Puzzlestücke zusammengefügt werden können und somit eine überlegene Festigkeit und Schlagzähigkeit im Gegensatz zu einteiligen Komponenten des gleichen Materials aufweisen, stellte die Forscher vor eine Herausforderung. Der Einsatz des EnvisionTEC-3D-Druckers erleichterte dieses Bestreben um ein Vielfaches, da dieser eine Auflösung von +/- vier Mikrometern bietet.

Hauptsächlich kamen bei diesen Forschungen EnvisionTEC’s Perfactory-Materialien sowie gelegentlich auch andere Photopolymere des Unternehmens zum Einsatz. Im Rahmen dieser Arbeiten gelang es den Forschern darüber hinaus eigene DLP-Materialien mit speziellen Verstärkungseigenschaften herzustellen.

“Mit 3D-Druck können wir viel mehr Geometrien erforschen”, fügte Barthelat hinzu. “Sobald wir die richtige Geometrie haben, können wir Ressourcen und Zeit in die Anwendung dieser Geometrien auf Materialien wie Keramik investieren.”