Neue Multimaterial-3D-Druck Methode dank programmierter Materialeigenschaften

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Ein Forscherteam der Virginia Tech University entwickelte eine neue Methode für Multimaterial-3D-Druck im Mikrobereich, bei welcher in-situ-Harzmischungen sowie Robotik-3D-Druckmaterial genutzt werden, um eine flexible Modulverteilung mit Hilfe des „programmed Morphing“ vor zu programmieren ohne dabei die Materialeigenschaften zu verändern.

Multimaterial-3D-Druck erlebt, wie es scheint, gerade einen Aufschwung. Ob es sich nun um in einem Stück 3D-gedruckte Multimaterial-Objekte, um erweiterte Funktionalität bei Rapid Prototyping oder doch um eine Verbesserung der Dentalmedizin mit Multimaterial-3D-Druck handelt, Forschungen zu diesem Thema finden sich momentan fast überall.

Nun präsentierte auch die Virginia Tech University deren neueste Forschungsarbeit zum diesem Bereich. Unter dem Namen „Multimaterial programmierbare additive Fertigung mit integrierter Harzabgabe“ erforschte das Virginia Tech Team Multimaterial-3D-Druck im Mirko-Bereich. Diese Methode könnte eine Zukunft in Anwendungsbereichen wie Flugzeugflügelstrukturen, künstliche Muskeln, Energieabsorption, flexible Panzerung, Mikrorobotik oder auch Schutzbeschichtungen haben.

Wenn ein Material in eine bestimmte Richtung gestreckt wird, bedeutet dies meist auch das Schrumpfen auf einer anderen Stelle des Objekts. Bei Virginia Tech’s neuester Methode kommen in-situ-Harzmischungen ebenso wie Robotik-3D-Druckmaterialien mit programmierter Steifigkeit zum Einsatz, ohne dessen Eigenschaften zu verfälschen oder zu verändern. Hierdurch ermöglicht es dieses Verfahren, spezifische sowie flexible Modulverteilungen in einem Objekt zu erstellen, welche dann dank des „programmed Morphing“ eine kontrollierte Schrumpfung oder Expansion im gesamten Materialkörper ermöglichen.

Neue Multimaterial 3D Druck Methode dank programmierter Materialeigenschaften - Neue Multimaterial-3D-Druck Methode dank programmierter Materialeigenschaften
© Virginia Tech / Beispiel einer Mikrogitterstruktur aus verschiedenen Materialien.

„Wir verwenden diese neue Technik, um Materialien mit programmierter Steifigkeit zu erzeugen. Grundsätzlich können Sie programmieren, wo das Modul in 3D verteilt ist. Mit dieser Programmierung können wir die Morphing-Fähigkeit erreichen, sich in verschiedene Richtungen zu dehnen und zu verformen „, erklärt Xiaoyu „Rayne“ Zheng, Assistenzprofessor für Maschinenbau am College of Engineering der Universität.

Weiters fügte er hinzu:

„Bei dieser Technik handelt es sich um eine robotergestützte additive Fertigung, ein integriertes fluidisches System, mit dem wir verschiedene Farben [Harz] als Ausgangsmaterial liefern können. Das Verfahren ist auch selbstreinigend, so dass keine Kreuzkontamination zwischen den Tinten auftritt. „

Nachdem der Assistenzprofessor einige Erfahrung mit 3D-Druck im Nanobereich gesammelt hatte, schloss er sich nun dieser Forschung mit der Hoffnung an, dass Multimaterial-3D-Druck bald in der Lage sein wird ein einziges funktionales Gerät aus mehreren Materialien ohne zusätzliche Arbeitsschritte wie Schweißen oder Kleben 3D zu drucken.

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Xiaoyu “Rayne” Zheng

„Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir eine Reihe unterschiedlicher Materialeigenschaften in einer einzigen Plattform vereinen und miteinander verbinden“, erklärt Zheng. „Das zusätzliche Maß an Materialdesignfreiheit ermöglicht es uns, negative, positiv-zu-null Morphing-Dehnungen zu erzielen, ohne die 3D-Mikroarchitektur eines Materials zu verändern.“

In einem Artikel, welcher in dem Magazin Scientific Reports veröffentlicht wurde, erklären die Forscher, dass bei dieser neuen Methode ein Roboter-Materialreinigungssystem zum Einsatz kommt. Dies ermöglicht den Austausch von Materialien mit unterschiedlichen Modulen, ohne dass eine Kreuzkontamination zwischen den Eigenschaften auftritt.

„Wir gehen davon aus, dass diese programmierbaren Morphing-Material-Konzepte Anwendungen für gerichtete Dehnungsverstärkungen, Betätigungen, flexible Elektronik und das Design leichter Metamaterialien mit maßgeschneiderter Steifigkeit und Zähigkeit finden werden. Der neue Materialdesign-Raum, der durch die schnelle Herstellung von unterschiedlichen Materialbestandteilen innerhalb einer Mikrogitterarchitektur geboten wird, eröffnet neue Dimensionen des 3-D-Drucks von Multimaterialien mit einem hohen Grad an Steifigkeitsvarianz „, kommentiert Zheng.