Forscher entwickeln tröpfchenbasiertes 3D-Druckverfahren mit Mikrofluidik

Forscher der University of California, Davis (UC Davis) haben unter der Leitung des Chemieingenieur-Assistenzprofessors Jiandi Wan ein Paper veröffentlicht, das einen neuen Ansatz für den 3D-Druck mit Hilfe der Mikrofluidik beschreibt.

Die neue Technik verwendet ein tröpfchenbasiertes, mehrphasiges Mikrofluidiksystem zum effizienten 3D-Druck fein abgestimmter flexibler Materialien. Es erlaubt dem Benutzer, die Zusammensetzung und Eigenschaften der extrudierten Tinte in Echtzeit zu manipulieren, wodurch die Herstellung vielfältiger und funktioneller Strukturen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften ermöglicht wird. Die Forscher sehen potenzielle Anwendungen für die Technologie in der Soft-Robotik, im Tissue Engineering und in der Wearable-Technologie.

Bei herkömmlichen extrusionsbasierten 3D-Druckern wird das Druckmaterial durch eine Düse gedrückt und der Konstruktion so aufgebaut. Dies ist zwar effizient und kostengünstig, macht es aber schwierig, Strukturen aus mehr als einem Material zu drucken.

Wans Gruppe bemerkte, dass diese Düse den von ihnen untersuchten mikrofluidischen Glaskapillargeräten ähnelt, bei denen mehrere Düsen ineinander gesteckt werden.

“Die meisten extrusionsbasierten 3D-Drucker verwenden sehr einfache Düsen, und da wir diese Mikrofluidik aus Glas bereits entwickelt hatten, dachten wir uns, ‘warum sie nicht auch für den 3D-Druck verwenden'”, erklärte Wan.

Das Gerät von Wan verwendet ein mehrphasiges Tropfsystem, um Tröpfchen einer wässrigen Polyethylenglykoldiacrylat-Lösung (PEGDA) in ein gängiges organisches Polymer auf Siliziumbasis namens Polydimethylsiloxan (PDMS) einzukapseln. Das PDMS fließt um einen Tropfer, der winzige Tröpfchen des PEGDA erzeugt, die es gleichmäßig in das PDMS einbringt, während beide Materialien auf die zu druckende Struktur fließen.

Die resultierende Konstruktion sieht wie ein Pac-Man-Labyrinth aus, mit kleinen Punkten aus PEGDA-Tröpfchen, die von dem PDMS umgeben sind. Sobald das PEGDA aus den Tröpfchen diffundiert, stört es den Polymerisationsprozess des PDMS, indem es das Material chemisch aufweicht und die Struktur flexibler macht.

Obwohl der mikrofluidikbasierte 3D-Druck bereits früher durchgeführt wurde, ist Wans Gruppe die erste, die diesen auf Tröpfchen basierenden mehrphasigen Emulsionsansatz verwendet. Das Team untersucht bereits mögliche Anwendungen und erforscht, welche anderen Materialkombinationen sie verwenden können, um die mechanischen oder chemischen Eigenschaften von 3D-Druckerzeugnissen zu verändern. Sie denken, dass die Arbeit Anwendungen im Bioprinting und in der tragbaren Elektronik wie intelligenten Stoffen haben könnte.

Die Arbeit mit dem Titel “On-demand modulation of 3D-printed elastomers using programmable droplet inclusions” ist online abrufbar.