Forschern gelingt es, 3D-gedruckte Keramik 4,5x bruchfester zu machen

Forscher der Brown School of Engineering der Rice University haben gezeigt, dass 3D-gedruckte keramische Strukturen durch die Beschichtung mit einer dünnen Polymerhülle bis zu 4,5 Mal bruchsicherer gemacht werden können.

Keramische Werkstoffe zeichnen sich häufig durch ihre Hitze- und Chemikalienbeständigkeit, ihre Festigkeit und Härte sowie ihre geringe Leitfähigkeit aus. Außerdem sind sie bemerkenswert biokompatibel und eignen sich daher hervorragend für biomedizinische Anwendungen wie Knochenersatzmaterialien, Zahnersatzteile und sogar Gerüste für die Gewebezüchtung. Keramiken haben jedoch auch die Tendenz, ziemlich spröde zu sein. Das bedeutet, dass sie bei hohen Druckbelastungen zu Rissen und Brüchen neigen, was ihre Verwendung in hochbelasteten Strukturanwendungen einschränkt.

In der Natur lösen harte Strukturen auf Keramikbasis das Problem der Sprödigkeit, indem sie weiche organische Materialien in die Mischung einbringen. Dies ist bei Muschelschalen der Fall, die aus fein geschichteten, ziegelsteinartigen Aragonitplättchen (95 %) bestehen, die durch weiche Biopolymere (5 %) verbunden sind. Dies ist auch in den Knochen vieler Tiere zu beobachten, wo harte mineralische Nanokristalle neben Kollagenfibrillen angeordnet sind und haltbarere Matrizen bilden.

Polymerbeschichtete keramische Schwarzite

Das Rice-Team ließ sich von der Natur inspirieren und druckte keramische Schwarzite auf einem Formlabs SLA-System und beschichtete sie mit einem dünnen, flexiblen Epoxidpolymer, bevor es die Teile unter UV-Licht weiter aushärtete.

In der unbeschichteten Kontrollgruppe erwiesen sich die Strukturen als äußerst zerbrechlich und zersplitterten erwartungsgemäß bei Falltests und hydraulischen Drucktests. Bei den beschichteten Proben genügte eine 100 Mikrometer dicke Polymerbeschichtung, um die Teile mit einer bis zu 4,5-fach höheren Widerstandsfähigkeit gegen katastrophale Brüche zu versehen. Selbst wenn sie bis zum Bruch belastet wurden, zerbrach die beschichteten Strukturen nicht vollständig, sondern zerbröckelten und flachten sich stattdessen ab.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die porösen 3D-gedruckten Schwarzit-Gitter im Vergleich zu beschichteten Vollkeramikmaterialien von Natur aus zäher sind. Dies wurde auf den Mechanismus zurückgeführt, durch den die Polymerbeschichtungen in die porösen Strukturen eindringen und die Poren “auffüllen”, um die Dichte und mechanische Festigkeit zu verbessern

Weitere Einzelheiten der Studie findet man in dem Paper mit dem Titel “Damage-tolerant 3D-printed ceramics via conformal coating”. Dies wurde gemeinsam von Muhammad Rahman, Seyed Mohammad Sajadi et al. verfasst.