Ein internationales Forschungsteam hat eine hochauflösende 3D-Drucktechnik entwickelt, mit der sich extrem feine Fasern herstellen lassen. Diese Methode basiert auf einem eingebetteten Druckverfahren und ermöglicht Auflösungen von bis zu 1,5 Mikrometern. Die Wissenschaftler sehen darin großes Potenzial für bioinspirierte Materialien und fortschrittliche technische Anwendungen.
Inspiration aus der Natur: Ultrafeine Fasern mit neuen Eigenschaften
In der Natur sind feine Haare und Fasern allgegenwärtig und übernehmen unterschiedliche Funktionen – von der Sinneswahrnehmung bis hin zur mechanischen Stabilisierung. Beispiele sind Spinnenseide oder die schleimigen Abwehrfäden des Schleimaals. Diese Strukturen nachzubilden war bisher eine große Herausforderung, da herkömmliche 3D-Druckverfahren an bestimmten Grenzen scheiterten.
Ein Team unter der Leitung der MechSE-Professoren Sameh Tawfick und Randy Ewoldt hat nun eine Lösung gefunden. Mithilfe eines in Gel eingebetteten 3D-Druckverfahrens gelang es ihnen, extrem feine Fäden zu drucken, die sich an natürlichen Vorbildern orientieren.
Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications unter dem Titel „Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange„.
Lösung durch ein spezielles Lösemittelverfahren
Beim herkömmlichen 3D-Druck wird Material Schicht für Schicht in der Luft aufgetragen, was bei feinen Strukturen zu Brüchen führen kann. Beim eingebetteten 3D-Druck wird das Material hingegen in einem Gel als Stützmedium gedruckt. Dies erlaubt komplexe Geometrien und vermeidet den Einsatz zusätzlicher Stützstrukturen.
Bisher gab es jedoch ein Problem: Filamente mit einem Durchmesser von weniger als 16 Mikrometern neigten dazu, vor der Aushärtung zu reißen. Das Forschungsteam um Tawfick entwickelte eine Methode namens Solvent Exchange, bei der das Druckmaterial durch ein modifiziertes Gel direkt beim Auftragen ausgehärtet wird. Dadurch wird verhindert, dass die Fasern durch Oberflächenspannung brechen.
Dr. Wonsik Eom, Erstautor der Studie und nun Professor an der Dankook University in Südkorea, erläutert: „Diese Technik überwindet eine langjährige Einschränkung des 3D-Drucks – die Herstellung weicher Materialien mit einem Durchmesser von nur einem Mikrometer.“
Anwendungsmöglichkeiten in Materialwissenschaft und Technik
Das Forschungsteam sieht vielfältige Einsatzmöglichkeiten für diese Technik. So könnten ultrafeine Fasern mit funktionalen Materialien kombiniert werden, um neuartige faserbasierte Strukturen zu realisieren. Besonders interessant ist die Methode für die Nachbildung biologischer Mikrostrukturen, die mit herkömmlichen Halbleiterfertigungstechniken nicht hergestellt werden können.
Dr. Eom erklärt:
„Unsere Forschung zeigt, dass hochauflösender eingebetteter 3D-Druck weit mehr natürliche Strukturen nachbilden kann als zunächst angenommen. Das eröffnet neue Wege für innovative Materialien und Anwendungen in der Biotechnologie, Sensorik und weiteren Bereichen.“
Das Team plant, die Technik weiterzuentwickeln und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Materialwissenschaft und Technik zu erforschen.
