Experimente mit graphenverstärkten Nanokompositen im DLP-3D-Druck

DLP ist eine bei vielen Forschern beliebte, auf Küpenpolymerisation basierende 3D-Druckmethode und eine ähnliche wie SLA – mit der Ausnahme, dass Objekte in einem Schichtungsprozess anstatt Punkt für Punkt erstellt werden. Hier zeigten die Autoren der Arbeit “Fabrication of Graphene-Reinforced Nanocomposites with Improved Fracture Toughness in Net Shape for Complex 3D Structures via Digital Light Processing” großes Interesse an Nanokompositen und untersuchten das Potenzial zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Teilen, obwohl solche Materialien bislang nur in begrenztem Umfang in DLP verwendet wurden. In der Vergangenheit war dies auf die Herausforderungen zurückzuführen, die Nanopartikel beim 3D-Druck darstellen.

„Die Harzviskosität und die spätere Bedruckbarkeit könnten durch das Einbringen von großflächigen Nanopartikeln wie Graphen beeinträchtigt werden. Das Vorhandensein von Graphen könnte auch UV-Licht blockieren und so den Photohärtungsprozess des Harzes stören“, erklärten die Autoren.

Frühere Forscher hatten Probleme mit der Viskosität, die das Drucken behindert, obwohl die Autoren die Verwendung von DLP zur Aushärtung von Nanofüllerharzen weiterhin positiv beurteilen.

“Es ist auch erwähnenswert, dass mit dem DLP-3D-Druck Nanokomposite direkt ohne mehrstufiges Formen, Schneiden und andere Schritte in eine Netzform gebracht werden können, um komplex geformte Strukturen mit verbesserten Eigenschaften herzustellen”, so die Forscher.

Im Rahmen dieser Forschung entwickelte das Team ein eigenes Harz, das auf UV-Härtung beruht und graphenverstärkte Nanokomposite (GNPs) enthält. Letztendlich konnten sie einen 3D-Druck mit einer komplexen Geometrie fertigstellen – ohne Verwendung von Lösungsmitteln. Sie berichteten auch über Erfolge mit hoher Auflösung und Reproduzierbarkeit bei gleichzeitiger Erschwinglichkeit.

“Ein Gyroid-Gerüst für Tissue-Engineering-Anwendungen, das auf aktuellen GNP-Nanokomposit-Harzen basiert, wurde erfolgreich über DLP hergestellt. Dies zeigt die Eignung aktueller Harze für komplex geformte Strukturen sowie das Potenzial für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie dem Tissue-Engineering von Knochen”, so die Autoren .

Die Viskosität spielte während des gesamten Projekts weiterhin eine wichtige Rolle, und die Forscher erkannten die Herausforderungen bei der Einstellung der Parameter, wobei für den DLP-Druck (sowie für SLA) eine niedrige Viskosität erforderlich war. Wenn die Viskosität zu hoch wurde, bestand die Möglichkeit einer Verformung oder eines vollständigen Versagens. Zusammen mit der Charakterisierung und Untersuchung der Viskosität war den Autoren auch bekannt, wie sich die thermomechanischen Eigenschaften auf den Prozess auswirken.

„Mit den entwickelten Graphen-verstärkten Harzen konnten 3D-Komplexstrukturen einschließlich eines Kieferknochens mit quadratischer Architektur sowie eines Gyroid-Gerüsts für Anwendungen im Bereich des Bone Tissue Engineering über DLP erfolgreich hergestellt werden, was das große Potenzial aktueller UV-härtbarer Nanokomposit-Harzsysteme für verschiedene Anwendungen zeigt in Bereichen wie Bioengineering“, schlussfolgerten die Forscher.