Neues 3D-Druckverfahren vereint Feststoffe und Flüssigkeiten

Dank einer neuen 3D-Drucktechnologie, die von Ingenieuren der CU Boulder entwickelt wurde, könnte bald ein ganzer Roboter oder ein dehnbares, elektronische medizinisches Gerät mit nur einem Knopfdruck hergestellt werden, ohne mühsames Zusammensetzen der Teile per Hand.

In einer neuen Studie stellt das Team eine Strategie vor, wie man mit den derzeit verfügbaren Druckern Materialien herstellen kann, die feste und flüssige Komponenten miteinander verschmelzen – ein schwieriges Unterfangen, wenn man nicht will, dass der Roboter zusammenbricht.

“Ich denke, dass es eine Zukunft gibt, in der wir zum Beispiel ein komplettes System wie einen Roboter mit diesem Verfahren herstellen können”, sagt Robert MacCurdy, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering.

MacCurdy und seine Doktoranden Brandon Hayes und Travis Hainsworth veröffentlichten ihre Ergebnisse am 14. April in der Zeitschrift Additive Manufacturing.

3D-Drucker sind seit langem eine Domäne von Bastlern und Forschern, die in Labors arbeiten. Sie sind ziemlich gut darin, Plastikdinosaurier oder einzelne Teile für Maschinen, wie Zahnräder oder Gelenke, herzustellen. Aber MacCurdy glaubt, dass sie noch viel mehr können: Durch das Mischen von Feststoffen und Flüssigkeiten könnten 3D-Drucker Geräte herstellen, die flexibler, dynamischer und potenziell nützlicher sind. Dazu gehören tragbare elektronische Geräte mit Drähten aus Flüssigkeit, die in festen Substraten enthalten sind, oder sogar Modelle, die die Weichheit echter menschlicher Organe imitieren.

Der Ingenieur vergleicht den Fortschritt mit herkömmlichen Druckern, die nicht nur schwarz-weiß, sondern auch in Farbe drucken.

“Farbdrucker kombinieren eine kleine Anzahl von Grundfarben, um eine breite Palette von Bildern zu erzeugen”, so MacCurdy. “Das Gleiche gilt für die Materialien. Wenn man einen Drucker hat, der mehrere Arten von Materialien verwenden kann, kann man sie auf neue Weise kombinieren und ein viel breiteres Spektrum an mechanischen Eigenschaften erzeugen.”

Der Hohlraum

Um diese Eigenschaften zu verstehen, ist es hilfreich, 3D-Drucker mit den normalen Druckern in Ihrem Büro zu vergleichen. Papierdrucker erzeugen ein Bild, indem sie flüssige Tinte in Tausenden von flachen Pixeln auftragen. Bei 3D-Tintenstrahldruckern hingegen werden mit Hilfe eines Druckkopfes winzige Flüssigkeitströpfchen, so genannte “Voxel” (eine Mischung aus “Volumen” und “Pixel”), übereinandergelegt.

“Sehr bald nach dem Auftragen dieser Tröpfchen werden sie einem hellen, ultravioletten Licht ausgesetzt”, so MacCurdy. “Die härtbaren Flüssigkeiten verwandeln sich innerhalb einer Sekunde oder weniger in Feststoffe.

Es gebe aber viele Fälle, in denen man wolle, dass die Flüssigkeiten flüssig bleiben. Einige Ingenieure verwenden beispielsweise Flüssigkeiten oder Wachse, um winzige Kanäle in ihren festen Materialien zu erzeugen, die sie dann später wieder entleeren. Das ist ein bisschen so, wie Wassertropfen eine unterirdische Höhle aushöhlen können.

Ingenieure haben Wege gefunden, solche Hohlräume in 3D-gedruckten Teilen zu schaffen, aber es ist normalerweise sehr zeit- und arbeitsaufwändig, sie zu reinigen. Außerdem müssen die Kanäle relativ einfach gehalten werden.

MacCurdy und seine Kollegen beschlossen, einen Weg zu finden, um diese Einschränkungen zu umgehen – durch ein besseres Verständnis der Bedingungen, die es Ingenieuren ermöglichen würden, feste und flüssige Materialien gleichzeitig zu drucken.

Flüssiger Mut

Die Forscher entwarfen zunächst eine Reihe von Computersimulationen, die die physikalischen Bedingungen des Druckens verschiedener Materialien nebeneinander untersuchten.

Eines der großen Probleme, so MacCurdy, ist: “Wie kann man verhindern, dass sich die Tröpfchen fester Materialien mit den flüssigen Materialien vermischen, selbst wenn die Tröpfchen fester Materialien direkt auf die Flüssigkeitströpfchen gedruckt werden?”

Das Team stellte eine Reihe von Regeln auf, um genau das zu erreichen.

“Wir fanden heraus, dass die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit genutzt werden kann, um festes Material zu unterstützen, aber es ist hilfreich, ein flüssiges Material zu wählen, das dichter ist als das feste Material – dieselbe Physik, die es ermöglicht, dass Öl auf Wasser schwimmt”, so Hayes.

Als nächstes experimentierten die Forscher mit einem echten 3D-Drucker im Labor. Sie füllten den Drucker mit einem aushärtbaren Polymer oder Kunststoff (dem Feststoff) und mit einer Standard-Reinigungslösung (der Flüssigkeit). Ihre Kreationen waren beeindruckend: Die Gruppe war in der Lage, gewundene Flüssigkeitsschleifen und ein komplexes Netzwerk von Kanälen in 3D zu drucken, das den verzweigten Bahnen in einer menschlichen Lunge nicht unähnlich ist.

“Beide Strukturen wären mit früheren Ansätzen nahezu unmöglich herzustellen gewesen”, so Hainsworth.

MacCurdy hat sich vor kurzem auch einem Team von Forschern der CU Boulder und des CU Anschutz Medical Campus angeschlossen, die an der Entwicklung realistischer 3D-Druckmodelle von menschlichem Gewebe arbeiten. Ärzte könnten diese Modelle verwenden, um für Eingriffe zu üben und Diagnosen zu stellen. Bei dem Projekt wird unter anderem MacCurdys Flüssig-Fest-Ansatz eingesetzt.

“Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse den Multimaterial-Tintenstrahl-3D-Druck mit Flüssigkeiten und Festkörpern für Forscher und Enthusiasten auf der ganzen Welt zugänglicher machen”, sagte er.

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