Home Forschung & Bildung Hummer inspiriert 3D-Druck von Schutzkleidung für Sport

Hummer inspiriert 3D-Druck von Schutzkleidung für Sport

Wissenschaftler der School of Engineering an der University of Southern California (USC) Viterbi haben sich für die Entwicklung von Schutzkleidung von der biologischen Struktur der Hummerschale inspirieren lassen. Schwere Kopfverletzungen bei Sportarten wie dem American Football oder Boxen sollen damit zukünftig verhindert werden.

Die Schale des Hummers und anderer Krustentiere wie Shrimps verfügt über eine extrem stabile Struktur mit hoher Stoßfestigkeit. Sie besteht aus dem Fasermaterial Chitin. Die Fasern sind dabei spiralenförmig angeordnet (Bouligand Struktur) und ermöglichen dadurch eine feste Struktur in der sich kleine Risse nicht ausbreiten können.

“Der Riss muss entlang des Faserverlaufs rotieren; dadurch entsteht ein viel längerer Ausbreitungsweg,” erklärt Yong Chen, USC Associate Professor für Industrial and Systems Engineering. “Es entsteht ein kleiner Mikro-Riss, die Schale zerbricht jedoch nicht.”

Chen, der auch über Erfahrung mit 3D-Drucktechnologie verfügt, hat zusammen mit Yang Yang, Post-Doc Forscher an der USC, einen elektrisch-unterstützten 3D-Druckprozess entwickelt, der Schichten eines Materials in Form von Bouligand-Strukturen aufbaut. In ihrer Studie “Biomimetic Anisotropic Reinforcement Architectures by Electrically Assisted Nanocomposite 3D Printing” die im Fachjournal Advance Materials veröffentlicht wurde, haben die Forscher kleine Protoypen meines menschlichen Meniskus gedruckt, der aus Knorpel besteht und quasi als Stoßdämpfer zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein agiert.

Bei dem Experiment wurde Stoßfestigkeit zwei verschiedener Modelle aus Kunststoff und Carbon-Nanoröhrchen getestet. Während bei einem Modell die Carbon-Nanoröhrchen Fasern lediglich in das Plastik gemischt wurden, hat man beim Vergleichsmodell die Fasern mit Hilfe eines elektrischen Felds während des 3D-Druckvorgangs spezifisch ausgerichtet.

“Wenn Nanofasern lediglich in den Kunststoff gemischt werden, erhält man eine um das 4-fach verbesserte Stabilität. Ordnet man diese Nanofasern jedoch in einem 1000-Volt-Elektrofeld spezifisch an, ist das Ergebnis eine 8-fach bessere Stabilität,” erklärt Chen.

In einem nächsten Schritt werden größere Prototypen erstellt die zudem biokompatibel sein sollen.

Derzeit wird der elektrisch unterstützte 3D-Druckprozess weiter verbessert. Die damit hergestellten verstärkten Strukturen hätten großes Potential für Anwendungsbereiche in der Raumfahrt, der Mechanik sowie dem Tissue Engineering, meint Chen.

Zukünftig könnte dies bedeuten, dass der Kopf eines Football-Spielers für das digitale Design eines personalisierten 3D-gedruckten Helms gescannt wird oder auch ein künstlicher Meniskus in exakt auf den Patienten abgestimmter Form eingesetzt werden kann.

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