US-Forscher zeigen 3D-gedruckte Objekte, die sich selbst reparieren können
Die USC Viterbi-Fakultät und Studenten entwickeln ein 3D-gedrucktes Material, das sich selbst reparieren kann.
Anstatt Ihre kaputten Stiefel oder kaputten Spielsachen wegzuwerfen, lassen Sie sie sich selbst reparieren. Forscher der University of Southern California, Viterbi School of Engineering, haben 3D-gedruckte Gummimaterialien entwickelt, die genau das können.
Der Assistenzprofessor Qiming Wang arbeitet in der Welt der 3D-Druckmaterialien und erstellt neue Funktionen für eine Vielzahl von Zwecken, von flexibler Elektronik bis zur Klangsteuerung. Zusammen mit den Viterbi-Studenten Kunhao Yu, An Xin und Haixu Du und dem Assistant Professor Ying Li der University of Connecticut haben sie ein neues Material hergestellt, das schnell hergestellt werden kann und sich selbst reparieren kann, wenn es gebrochen oder punktiert wird. Dieses Material könnte für Branchen wie Schuhe, Reifen, soft Robotik und sogar für die Elektronik einen entscheidenden Wandel bewirken, wodurch die Fertigungszeit verkürzt und die Haltbarkeit und Lebensdauer des Produkts erhöht werden.
Das Material wird unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens unter Verwendung von Photopolymerisation hergestellt. Dieses Verfahren verwendet Licht, um ein flüssiges Harz in einer gewünschten Form oder Geometrie zu verfestigen. Um es selbstheilbar zu machen, mussten sie ein wenig tiefer in die Chemie hinter dem Material eintauchen.
Die Photopolymerisation wird durch eine Reaktion mit einer bestimmten chemischen Gruppe namens Thiole erreicht. Durch Zugabe eines Oxidationsmittels zur Gleichung werden Thiole in eine andere Gruppe namens Disulfide umgewandelt. Es ist die Disulfidgruppe, die sich bei einem Bruch reformieren kann und zur Selbstheilungsfähigkeit führt. Das richtige Verhältnis zwischen diesen beiden Gruppen zu finden, war der Schlüssel zum Erschließen der einzigartigen Eigenschaften des Materials.
“Wenn wir das Oxidationsmittel schrittweise erhöhen, wird das Selbstheilungsverhalten stärker, das Photopolymerisationsverhalten wird jedoch schwächer”, erklärte Wang. „Es gibt einen Wettbewerb zwischen diesen beiden Verhaltensweisen. Und schließlich haben wir das Verhältnis gefunden, das sowohl eine hohe Selbstheilung als auch eine relativ schnelle Photopolymerisation ermöglicht.”
In nur 5 Sekunden können sie ein 17,5-Millimeter-Quadrat drucken und so ganze Objekte in etwa 20 Minuten fertigstellen, die sich innerhalb weniger Stunden selbst reparieren lassen. In ihrer Studie, die in NPG Asia Materials veröffentlicht wurde, demonstrieren sie die Leistungsfähigkeit ihres Materials bei einer Reihe von Produkten, darunter einem Schuhpad, einem weichen Roboter, einem Multiphasen-Composite und einem elektronischen Sensor.
Nachdem sie in zwei Hälften halbiert worden waren, heilten sie innerhalb von nur zwei Stunden bei 60 Grad Celsius (vier für die Elektronik aufgrund des zur Übertragung von Elektrizität verwendeten Kohlenstoffs) vollständig und hielten ihre Stärke und Funktion. Die Reparaturzeit kann nur durch Erhöhung der Temperatur verringert werden.
„Wir zeigen tatsächlich, dass das Material bei unterschiedlichen Temperaturen – von 40 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius – zu fast 100 Prozent ausheilen kann“, sagte Yu, der Erstautor der Studie und studiert Bauingenieurwesen. „Durch die Änderung der Temperatur können wir die Heilungsgeschwindigkeit beeinflussen, selbst unter Raumtemperatur kann sich das Material selbst heilen.“
Nach der Eroberung von 3D-bedruckbaren, weichen Materialien arbeiten sie nun daran, verschiedene selbstheilende Materialien entlang einer Reihe von Steifigkeiten zu entwickeln, vom aktuellen Weichgummi bis zu harten Hartkunststoffen. Diese könnten für Fahrzeugteile, Verbundwerkstoffe und sogar Rüstungen verwendet werden.