Materialentwicklung an der Oregon State University: Neue Möglichkeiten im 3D-Druck

Die Oregon State University hat einen Ansatz im 3D-Druck entwickelt, mit dem formwandelnde Materialien hergestellt werden können. Diese Materialien, sogenannte Flüssigkristall-Elastomere (LCE), könnten in Bereichen wie Robotik, Medizin und Energietechnik vielseitig eingesetzt werden.

Flüssigkristalline Elastomere sind schwach vernetzte Polymernetzwerke, die auf externe Stimuli wie Wärme reagieren und dabei mechanische Energie speichern oder freisetzen können.

Professor Devin Roach, einer der leitenden Wissenschaftler, erklärte: „LCEs sind im Grunde genommen weiche Motoren. Da sie im Gegensatz zu normalen Motoren weich sind, funktionieren sie hervorragend mit unseren von Natur aus weichen Körpern. So können sie beispielsweise als implantierbare medizinische Geräte eingesetzt werden, um Medikamente gezielt zu verabreichen, als Stents für Eingriffe in Zielgebieten oder als Harnröhrenimplantate, die bei Inkontinenz helfen.“

Eine der zentralen Herausforderungen bei der Herstellung dieser Materialien ist die präzise Ausrichtung der Moleküle, da diese ihre Formveränderungseigenschaften direkt beeinflusst. Durch den Einsatz eines magnetischen Feldes während des digitalen Lichtverarbeitungsprozesses (DLP), einer 3D-Drucktechnik, gelang es den Forschenden, die molekulare Ausrichtung zu optimieren. Beim DLP härtet Licht flüssiges Harz mit hoher Präzision aus, was die Herstellung komplexer Formen ermöglicht.

„Flexible Roboter, die LCEs enthalten, könnten Bereiche erforschen, die für Menschen unsicher oder ungeeignet sind“, sagte er. „Es hat sich gezeigt, dass sie auch in der Luft- und Raumfahrt als Aktuatoren für automatisierte Systeme eingesetzt werden können, z. B. für das Greifen im Weltraum, den Einsatz von Radargeräten oder die Erkundung außerirdischer Gebiete.

Neben der Formveränderlichkeit wurden in einer weiteren Studie die mechanischen Dämpfungseigenschaften von LCEs untersucht. Mithilfe von Direkt-Tinten-Schreibdruck, einer weiteren additiven Fertigungsmethode, konnte das Team Stoßdämpfer entwickeln, die Vibrationen effektiv über verschiedene Belastungsraten hinweg absorbieren. Solche Systeme könnten in Automobilen, Gebäuden oder Brücken eingesetzt werden, um mechanische Belastungen zu reduzieren.

„Die Ausrichtung der Moleküle ist der Schlüssel, um das volle Potenzial der LCEs zu erschließen und ihre Verwendung in fortschrittlichen, funktionalen Anwendungen zu ermöglichen“, so Roach. „Unsere Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Schaffung fortschrittlicher Materialien, die auf nützliche Weise auf Reize reagieren und so zu Innovationen in verschiedenen Bereichen führen können.“

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Advanced Materials und Advanced Engineering Materials, zeigen, dass flüssigkristalline Elastomere durch 3D-Druckmethoden für eine Vielzahl fortschrittlicher Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Die Forschung wurde von der National Science Foundation und der Air Force Office of Scientific Research unterstützt und zeigt das Potenzial, neue Standards in der Materialentwicklung zu setzen.