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Forscher an der City University of Hong Kong (CityU) haben eine Methode für den 3D-Druck von polymeren Gitterteilen entwickelt, die 100-mal stärker als bisherige Teile sind. Um doppelt so dehnbar und robuster zu werden, werden die Kunststoffobjekte bei diesem Ansatz nur teilweise karbonisiert. Auf diese Weise sollen anspruchsvolle 3D-Objekte mit mechanischen Eigenschaften realisierbar sein, die zum Beispiel für Anwendungen wie Koronarstents oder Bioimplantate geeignet sind. Ihre Arbeit haben sie in einem Artikel mit dem Titel „Lightweight, ultra-tough, 3D-architected hybrid carbon microlattices“ veröffentlicht.
CityU-Professor Lu Yang sagte:
„Wir haben einen Weg gefunden, schwache und spröde 3D-Druck-Photopolymere in ultraharte 3D-Architekturen umzuwandeln, die mit Metallen und Legierungen vergleichbar sind, indem wir sie einfach unter den richtigen Bedingungen erhitzen, was überraschend ist. Unsere Arbeit bietet einen kostengünstigen, einfachen und skalierbaren Weg zur Herstellung leichter, fester und duktiler mechanischer Metamaterialien mit praktisch jeder Geometrie.“
Die Herausforderung
Die Forscher bezeichnen die Entwicklung eines Polymers, das besonders leicht und gleichzeitig ein ultrahohes Maß an Duktilität und Festigkeit bietet, als heiligen Gral der Materialforschung und -Entwicklung. Das Problem ist, dass sich diese Eigenschaften ausschließen. Um Kunststoffteile durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre in Kohlenstoff umzuwandeln, wird häufig die Pyrolyse verwendet. Das nimmt dem ursprünglichen Polymer fast seine gesamte Verformbarkeit. Auch andere Kunststoff-Verstärkungsmethoden würden laut den Forschern ungeeignet sein, da sie zu „intrinsischer Sprödigkeit und geringer Zähigkeit“ führen. Die strukturellen Anwendungen der fertigen Teile wäre stark eingeschränkt.
Aus gewissen Metamaterialien, die so konstruiert sind, dass sie Eigenschaften bieten, die in natürlich vorkommenden Rohstoffen nicht zu finden sind, können in bestimmten Iterationen Mikrogitter erstellt werden. Diese könnten ein leichtes Strukturdesign mit den Qualitäten ihrer Bestandteile kombinieren. Die 3D-Druckbarkeit bleibt jedoch begrenzt.
Yang ergänzt:
„Starke und robuste Architekturkomponenten erfordern normalerweise den 3D-Druck von Metallen oder Legierungen, aber sie sind aufgrund der hohen Kosten und der geringen Auflösung kommerzieller Metall-3D-Druck- und Rohmaterialien nicht leicht zugänglich. Polymere sind zugänglicher, aber es fehlt ihnen an mechanischer Festigkeit oder Zähigkeit.“
Teilkarbonisierung
Die Forscher der CityU karbonisieren ihr Material nur teilweise, durch sorgfältige Kontrolle der Heizrate, Temperatur, Dauer und der Gasumgebung des Pyrolyseprozesses. Dadurch sei es möglich, die Steifheit, Festigkeit und Duktilität von Mikrogittern in einem einzigen Schritt zu verbessern.
Sie prüften einige Charakterisierungstechniken und erkannten, dass langsames Erhitzen zu einer unvollständigen Umwandlung der Polymerketten eines Materials während der pyrolytischen Umwandlung führt. Es entsteht ein Hybridmaterial mit strukturverstärkenden Kohlenstofffragmenten und lose vernetzte Polymerketten, die das Brechen des Verbundwerkstoffes verhindern.
Doppelt so dehnbar und 100-mal stärker
Es zeigte sich außerdem, dass das Verhältnis von Polymer zu Kohlenstofffragmenten auch für die Herstellung von Teilen mit optimierter Festigkeit und Duktilität von Bedeutung ist. Die Forscher testeten ihre Theorie, in denen es iterativ gelang, ein karbonisiertes Gitter zu entwickeln, das doppelt so dehnbar und 100-mal stärker ist als bisher. Die „Hybrid-Kohlenstoff“-Mikrogitter hatten außerdem eine bessere Biokompatibilität als das Basispolymer und könnten so die Bioaktivität der Zellen unterstützen. Für die Forscher bedeutet das, dass sich mit ihrem Verfahren die Funktionalitäten verschiedener anderer Polymere erweitern und neue 3D-Druck-Materialien für medizinische, Roboter- und Energiegeräte freisetzen lassen.
Gegensätzliche mechanische Verhaltensweisen teilkarbonisierter Strukturen (Video)
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