Neues 3D-Druckverfahren für zähflüssige Materialien und festen Raketentreibstoff

Forscher der Purdue University, genauer gesagt des Zucrow Labs, dem größten akademischen Antriebslabor weltweit, entwickelten ein neues Verfahren, um extrem zähflüssige Materialien wie beispielsweise Ton oder Keksteig mit hoher Präzision 3D zu drucken.

Verteilt über den ganzen Globus finden sich momentan unzählige Forschungen, wenn es darum geht vorhandene Filamente zu verbessern oder gar neue Materialien zu entdecken. Erst gestern erreichten uns Nachrichten über neue, innovative polymere Materialien für die Bereiche 4D-Druck, Selektive Laser Sintering (SLS) sowie auch Bioprinting.

Nun präsentierte auch ein Forscher-Team der Purdue University in Indiana, USA, ein neues Verfahren für den 3D-Druck von zähflüssigen Materialien. Durch diese neue Erkenntnis könnte es bald möglich sein, maßgeschneiderte Pharmazeutika, biomedizinische Implantate, Nahrungsmittel oder auch Keramiken und Raketen 3D zu drucken.

“Es ist sehr aufregend, dass wir Materialien mit Konsistenzen drucken können, die noch niemand drucken konnte.” sagt Emre Gunduz, wissenschaftlicher Hilfsprofessor an der School of Mechanical Engineering. “Wir können verschiedene Texturen von Lebensmitteln in 3D drucken; biomedizinische Implantate, wie Zahnkronen aus Keramik, können angepasst werden. Apotheken können personalisierte Medikamente in 3D drucken, so dass eine Person nur eine Pille anstelle von 10 einnehmen muss.”

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Um solch zähflüssige Materialien 3D-druckfähig zu machen, wurde bisher die Zusammensetzung dieser Materialien verändert. Das Forscher-Team der Purdue University jedoch schlägt in diesem Bereich andere Wege ein:

“Die gängigste Form des 3D-Drucks ist die thermoplastische Extrusion”, sagt Gunduz. “Das ist normalerweise gut genug für Prototypen, aber für die eigentliche Fertigung müssen Materialien mit hoher Festigkeit verwendet werden, wie Keramik oder Metallverbundwerkstoffe mit einem großen Anteil an festen Partikeln. Die Vorprodukte für diese Materialien sind extrem viskos, und normale 3D-Drucker können sie nicht ablagern, weil sie nicht durch eine kleine Düse geschoben werden können. Wir haben festgestellt, dass wir die Reibung an den Düsenwänden reduzieren können, indem wir die Düse auf eine ganz bestimmte Art und Weise vibrieren lassen, und das Material schlängelt sich gerade durch.”

Bisher ist es den Forschern gelungen, Objekte mit einer Präzision von 100 Mikrometer 3D zu drucken ohne dabei hohen Druckraten zu verlieren. Um dieses neue 3D-Druckverfahren genauer zu untersuchen, unternahmen die Purdue-Forscher eine Reise in das Argonne National Laboratory, in welchem mikroskopische Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen durchgeführt wurden. Anhand dieser Aufnahmen konnte der Fluss eines tonartigen Materials innerhalb der 3D-Druck-Düse präzise gemessen werden. Dieses Unterfangen half den Forschern dabei, deren Arbeit genau zu visualisieren.

“Die Ergebnisse waren wirklich beeindruckend”, sagt Gunduz. “Niemand hat jemals einen viskosen Fluss durch einen Kanal auf diese Weise charakterisiert. Wir konnten den Fluss quantifizieren und verstehen, wie unsere Methode tatsächlich funktioniert.”

Als erstes Projekt möchte das Team nun festen Raketentreibstoff 3D-drucken, um deren neuestes Verfahren zu testen.

“Feste Treibmittel beginnen sehr zähflüssig, wie die Konsistenz von Keksteig”, sagt Monique McClain, Ph.D. Kandidat in Purdue School of Aeronautics und Astronautics. “Es ist sehr schwierig zu drucken, weil es im Laufe der Zeit aushärtet, und es ist auch sehr temperaturempfindlich. Aber mit dieser Methode konnten wir tatsächlich Stränge von Festtreibstoffen drucken, die vergleichbar mit traditionellen Gießmethoden brannten.”

Es wurden bereits Proben im Ausmaß von zwei Zentimetern 3D-gedruckt und innerhalb eines Hochdruckgefäßes entzündet. Dieser Vorgang wurde aufgezeichnet und anhand dieser Zeitlupen-Aufnahmen analysiert.

“Wir möchten vielleicht, dass bestimmte Teile schneller oder langsamer brennen oder etwas, das in der Mitte schneller brennt als außen”, sagt McClain. “Mit dieser 3D-Druckmethode können wir das viel präziser erstellen.”