Forschende der University of Texas (UT) haben ein innovatives Verfahren für den 3D-Druck entwickelt, das die gleichzeitige Herstellung von harten und weichen Komponenten in einem Bauteil erlaubt. Die neue Methode basiert auf der Photopolymerisation und wurde am 30. Juni in der Fachzeitschrift Nature Materials unter dem Titel „Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing“ vorgestellt. Ziel der Arbeit ist es, effizientere Herstellungsprozesse für flexible medizinische und elektronische Geräte zu ermöglichen.
Herstellung von Multi-Material-Strukturen in einem Druckvorgang
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht die gleichzeitige Verarbeitung unterschiedlicher Materialeigenschaften – von elastisch bis starr – innerhalb eines einzigen Druckvorgangs. Bisher war die Fertigung solcher Multi-Material-Komponenten oft ein zeitaufwändiger Prozess mit mehreren Fertigungsschritten. Die neue Methode verspricht eine signifikante Vereinfachung.
Ji-Won Kim, Postdoktorandin und Erstautorin der Studie, erklärt dazu laut einem Artikel von „The Daily Texan“:
„Wir wollen einen einstufigen Prozess schaffen, mit dem alles auf einmal produziert werden kann.“
Als Beispiel für natürliche Multi-Material-Strukturen nennen die Forschenden menschliche Füße, die sowohl Knochen als auch weiches Gewebe vereinen. Die Herausforderung in der additiven Fertigung liegt insbesondere an den Materialübergängen: Oft entstehen an der Schnittstelle zwischen weichen und harten Materialien Schwachstellen, die mechanischen Belastungen nicht standhalten.
Chemisch abgestimmte Hybrid-Monomere gegen Materialversagen
Zur Lösung dieses Problems entwickelten die UT-Wissenschaftler ein neuartiges Harzsystem, das sogenannte Hybridmonomere aus Epoxid und Acrylat enthält. Diese chemische Kombination ermöglicht es, dass alle erzeugten Polymere dieselbe molekulare Basis teilen. Dadurch werden die Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialzonen stabiler und widerstandsfähiger gegenüber Belastungen.
Die Verfestigung der Materialien erfolgt mithilfe von Licht, wobei zwei verschiedene Wellenlängen gezielt zum Einsatz kommen: Violettlicht mit geringerer Energie erzeugt weiche Materialien mit weniger Vernetzungen, während energiereiches UV-Licht eine stärkere Vernetzung und damit steifere Materialien hervorbringt.
Anwendungen in der Medizintechnik und Robotik
Ein praktisches Beispiel, das die Forschenden demonstrierten, ist ein flexibles elektronisches Bauteil: Die empfindliche Elektronik wurde durch harte Strukturen geschützt, während umliegende weiche Materialien Beweglichkeit ermöglichten. Auch für die Medizintechnik bietet das Verfahren Potenzial – unter anderem für Prothesen oder chirurgische Modelle, bei denen realistische Bewegungen durch unterschiedliche Materialhärten nachgebildet werden müssen. In der Studie wurde unter anderem ein Kniegelenk ausgedruckt, das sowohl Bänder als auch Knochen simuliert.
„Es fühlt sich an, als wären wir an der vordersten Front von 3D-Druck und Polymerwissenschaft angekommen“, sagt Keldy Mason, Mitautor und Doktorand. Der Beitrag unterstreicht die Bedeutung des Fortschritts für die additive Fertigung und hebt hervor, dass die präzise Kontrolle von Materialeigenschaften innerhalb eines Objekts neue Anwendungsfelder eröffnet.
