Forscher der Carnegie Mellon University haben eine Methode für den 3D-Druck von mikroskaligen Eisstrukturen entwickelt. Dieser könnte für die Schaffung pneumatischer Kanäle für Soft-Robotik oder in der Gewebezüchtung Anwendung finden. Wir stellen das Verfahren einmal genauer vor.

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An der Carnegie Mellon University haben Forscher ein schnelles, reproduzierbares Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem ihnen der 3D-Druck von Eisstrukturen gelang. Diese können für das Erstellen von Vorlagen verwendet werden, die später die Leitungen und andere offene Merkmale in gefertigten Teilen bilden.

Lynn Shea von der Carnegie Mellon University Mechanical Engineering hat dazu einen Artikel auf TechXplore hochgeladen. Der Maschinenbaustudent Akash Garg und der Postdoktorand des Chemieingenieurwesens Saigopalakrishna Yerneni haben das Verfahren entwickelt. Sie führten Studien unter der Leitung von Burak Özdoganlar, Philip LeDuc und Phil Campbell durch.

Forscher des UpnaLabs haben mit LeviPrint ebenfalls eine außergewöhnliche Fertigungsmethode vorgestellt. Diese ermöglicht die kontaktlose Montage von Objekten.

3D-Druck von Eisstrukturen

Kleine, glatte, interne Kanäle in bestimmten komplexen Geometrien zu erstellen, ist trotz des Fortschritts im 3D-Druck eine Herausforderung. Bei herkömmlichen 3D-Druckverfahren müssten Stützstrukturen eingesetzt werden, die nach dem Druck noch schwer zu entfernen wären. Auch schichtbasierte Methoden mit hoher Auflösung benötigen oft lange und können die geometrische Genauigkeit beeinträchtigen.

Akash Garg erklärt:

„Mit unserem 3D-Eis-Prozess können wir mikroskalige Eisschablonen mit glatten Wänden und verzweigten Strukturen mit sanften Übergängen herstellen. Diese können anschließend zur Herstellung von Teilen im Mikromaßstab mit gut definierten inneren Hohlräumen verwendet werden.“

Wasser kommt auf der Erdoberfläche am häufigsten vor und ist der Hauptbaustein jedes lebenden Organismus, weshalb sich Wasser sehr gut für biotechnologische Anwendungen eignet. Der einfache und schnelle Phasenübergang von Wasser zu Eis macht Wasser zu einem umweltfreundlichen Strukturmaterial.

Der Prozess

3D-Druck von Eisstrukturen: der Prozess
Forscher der Carnegie Mellon University entwickelten eine Methode zum 3D-Druck von Eisstrukturen (im Bild: das Prozedere)(Bild © Carnegie Mellon University).

Die Forscher nutzten die 3D-gedruckten Eisstrukturen als Vorlagen für das „umgekehrte Formen“ oder den Inside-Out-3D-Druck. Sie tauchten die Eisstrukturen in die flüssige oder Gelform eines gekühlten Strukturmaterials wie Harz ein. Nachdem das Material ausgehärtet ist, entfernten sie das Wasser sanft, indem sie es schmolzen oder in Wasserdampf umwandelten.

Ein hochauflösendes 3D-Druck-System schied Wassertropfen auf einer speziell angefertigten, temperaturgesteuerten Plattform von -35 °C ab, wodurch das Wasser schnell zu Eis wurde. Die Ausstoßfrequenz der Wassertropfen wurde moduliert und mit Bewegungen des Tisches synchronisiert, was den 3D-Druck verzweigter Geometrien mit glatten Oberflächen und kontinuierlichen Durchmesservariationen mit fließenden Übergängen ermöglichte.

Die Anwendung

Sie druckten damit zum Beispiel einen Baum, eine Spirale, eine Stange und eine eineinhalb Millimeter große Tintenfischfigur. Durch den schnellen Phasenwechsel des Wassers und der Stärke des Eises wurde der Freiform-3D-Druck von Eisstrukturen möglich, ohne schichtweise oder mit Stützstrukturen arbeiten zu müssen. Mithilfe experimenteller Studien bestimmten sie den Druckweg, die Bewegungsstufengeschwindigkeit und die Tröpfchenfrequenzen und konnten reproduzierbar glatte Eisstrukturen mit geraden, geneigten, verzweigten und hierarchischen Geometrien anfertigen.

Beispieldrucke Eisstrukturen
Sie fertigten einige Beispiele für 3D-gedruckte Eisstrukturen an (im Bild zu sehen)(Bild © Carnegie Mellon University).

In einem Artikel im Fachjournal Advanced Science mit dem Titel „Freeform 3D Ice Printing (3D-ICE) at the Micro Scale“ veröffentlichten die Forscher ihre Arbeit. Die Einführung des Prozess für technische Anwendungen wie die Schaffung pneumatischer Kanäle für Soft-Robotik könnte in nur einem Jahr verfügbar sein. Für klinische Anwendungen wie die Gewebezüchtung wird es länger dauern.

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