Zu den spannendsten Entwicklungen in der Welt des 3D Drucks gehören definitiv Materialien mit der Fähigkeit, sich selbst zu heilen bzw. zu reparieren. Manche Anbieter sprechen in diesem Zusammenhang sogar von 4D Druck, mit der Zeit als der vierten Dimension. Dieser Begriff ist allerdings sehr viel weiter gefasst als derjenige der selbstheilenden oder selbstreparierenden Materialien, weshalb uns an dieser Stelle auf Letzteren konzentrieren möchten.
Um Ihnen diese spannende Entwicklung ein wenig näher zu bringen haben für Sie ein paar interessante Fakten rund um den Themenkomplex selbstheilende Materialien im 3D Druck zusammengetragen.
Die Anfänge der selbstheilenden Materialien
Noch vor nicht allzu langer Zeit wäre die Vorstellung, dass Materialien sich selbst heilen und reparieren können in den Bereich der Science-Fiction verwiesen worden. Mit dem Aufkommen des 3D Drucks begann sich dies allmählich zu ändern. So wurden im Laufe der 2010-er Jahre immer mehr, mit verschiedenen additiven Technologien kompatible 3D Druck-Materialien entwickelt, welche in der Lage sind, unterschiedliche Strukturen, Farben oder Konsistenzen aufzuweisen.
Der Durchbruch kam aus Kalifornien
Der eigentliche Durchbruch in Richtung selbstheilende Materialien gelang Forschern der University of Southern California, Viterbi School of Engineering Anfang 2019, mit dem ersten 3D-druckbarem Material, das sich tatsächlich selbständig reparieren kann, wenn es gebrochen oder punktiert wird.
Konkret handelt es sich dabei um ein Material, welches insbesondere für Industrie-Branchen wie Schuhindustrie, Reifenfertigung, Softrobotik oder unter Umständen sogar für die Elektroindustrie wegweisend sein soll.
Das eigentliche Ziel der kalifornischen Forscher bestand bei diesem Projekt darin, einerseits die Herstellungszeit zu verkürzen, sowie andererseits Haltbarkeit und Langlebigkeit der Produkte zu verbessern, somit also den Ressourcenverbrauch zu verringern.
Die richtige Mischung für die Selbstheilung
Die entscheidende Herausforderung bei einem derartigen Projekt bestand für die Viterbi-Forscher zunächst einmal darin, die richtige Materialmischung zu finden. Dabei setzten auf die Photopolymerisation, also den 3D Druck im Verfahren der Stereolithografie.
Den entscheidenden Durchbruch in Richtung Selbstreparatur brachte hierbei die Zugabe eines Oxidationsmittels. Dieses ändert das Verhalten der Materialien. Im chemischen Sinne werden die so veränderten Ausgangsstoffe ein Teil der Gruppe der Disulfide.
„Wenn wir das Oxidationsmittel allmählich erhöhen, wird das Selbstheilungsverhalten stärker, aber das Photopolymerisationsverhalten schwächer. Zwischen diesen beiden Verhaltensweisen gibt es einen Wettbewerb. Schließlich fanden wir das Verhältnis, das sowohl eine hohe Selbstheilung als auch eine relativ schnelle Photopolymerisation ermöglichen kann„, so Qiming Wang, Assistant Professor an der University of Southern California, zu diesem Entwicklungsschritt.
Die Generalprobe
Als Testobjekte – gedruckt aus besagtem Materialmix – dienten den kalifornischen Forschern unter anderem ein Schuhkissen, ein mehrphasiger Verbundwerkstoff und ein elektronischer Sensor. Diese Objekte schnitten sie nun in zwei Hälften. Nach ca. 2 Stunden bei 60°C waren die meisten dieser Objekte tatsächlich vollständig verheilt, das heißt wieder zusammengewachsen.
Von der Stereolithografie zu Licht-härtenden Verfahren
In der Folgezeit dieses Durchbruchs wurden bald auch selbstheilende Verfahren entwickelt, welche in Licht-härtenden additiven Verfahren, wie etwa DLP, verarbeitet werden können.
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