MIT Forscher entwickeln “Living Additive Manufacturing” Verfahren

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston haben ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht die chemische Zusammensetzung von 3D-gedruckten Objekten im Nachhinein zu verändern.

Im Gegensatz zu herkömmlich additiv gefertigten Objekten, dessen Material nach dem Fertigungsprozess quasi “tot” ist, da keine neuen Polymerketten geformt werden können, ermöglicht die 3D-Druck-Methode der MIT Forscher eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften der Materialien nach dem Druck. Außerdem können zwei oder mehrere 3D-gedruckte Objekte verbunden werden um komplexere Strukturen zu formen.

Die Idee dabei ist es, so Jeremiah Johnson, Associate Professor für Chemie am MIT, ein Material zu drucken und dieses im Nachhinein mittels Licht zu verformen oder weiter wachsen zu lassen. Diese Technik würde Möglichkeiten hinsichtlich der Komplexität von 3D-gedruckten Objekte erweitern.

Bereits 2013 haben die MIT Forscher bewiesen, dass sie eine Art von Polymerisation stimuliert durch UV-Licht verwenden können, um 3D-gedruckten Materialien neue Eigenschaften hinzuzufügen. Dabei wurde das UV-Licht genutzt um Kunststoff-Objekte nach dem 3D-Druck an bestimmten Stellen auseinander zu brechen. Dadurch entstanden hoch reaktive Moleküle, genannt freie Radikale. Diese Radikale verbinden sich dann aufgrund einer Lösung, die das Objekt umgibt, zu neunen Monomeren und sind in das bestehenden Material integriert.

Der Vorteil dabei ist, erklärt Johnson, dass man das Licht einschalten kann um die Ketten wachsen zu lassen und sobald man es abdreht stoppt der Prozess. Dieser Vorgang kann unendlich lange wiederholt werden um den Wachstumsprozess fortzusetzen, jedoch hat er sich zu zerstörend auf das Material ausgewirkt und ist schwierig zu kontrollieren, da die freien Radikale so reaktiv sind.

Im nächsten Versuch entwickelten die Wissenschaftler neue Polymere, die ebenfalls durch Licht reaktiviert werden können, allerdings auf einem anderen Weg. Jedes der Polymere besteht aus chemischen Gruppen (TTCs), die wie ein gefaltetes Akkordion agieren. Diese TTCs können durch organische Katalysatoren aktiviert werden, die auf Licht reagieren. Wenn also blaues LED Licht auf den Katalysator trifft, bindet dieser neue Monomere an die chemischen Gruppen um diese zu erweitern. Da diese Monomore gleichmäßig im ganzen Objekt gebunden werden entstehen neue Materialeigenschaften.

“That’s the breakthrough in this paper: We really have a truly living method where we can take macroscopic materials and grow them in the way we want to,” sagt Johnson.

In der im ACS Central Science veröffentlichten Studie zeigen die Forscher, wie die neu hinzugefügten Monomere mechanische Eigenschaften wie Steifheit und chemische Eigenschaften wie Hydrophobizität entstehen lassen. Weiters wird demonstriert wie Materialien in Reaktion auf Temperatur und der Zugabe eines betimmten Monomers anschwellen und sich zusammenziehen. Zusätzlich kann das Verfahren verwendet werden um Strukturen zu verbinden.

Eine der Einschränkungen dieser Methode ist, dass sie in sauerstofffreier Umgebung durchgeführt werden muss. Darum testen die Forscher nun weitere Katalysatoren, die in der Präsenz von Sauerstoff verwendet werden können.