Forscherinnen und Forscher der Princeton University haben eine innovative 3D-Drucktechnik entwickelt, die weiche Kunststoffe herstellt, die dehnbar, flexibel und recycelbar sind. Diese Methode verwendet preiswerte thermoplastische Elastomere und ermöglicht es, die mechanischen Eigenschaften von Materialien präzise anzupassen.
In ihrer Publikation in Advanced Functional Materials, veröffentlicht unter dem Titel „Reprocessable and Mechanically Tailored Soft Architectures Through 3D Printing of Elastomeric Block Copolymers“ (Link), beschreiben die Wissenschaftler, wie sie nanoskalige Zylinder innerhalb einer dehnbaren Polymermatrix ausrichteten. Diese Zylinder, nur 5-7 Nanometer dick, geben dem Material spezifische Eigenschaften: Es ist in einer Richtung starr, bleibt jedoch in anderen Richtungen weich und dehnbar. Durch diese präzise Ausrichtung können verschiedene Eigenschaften innerhalb eines einzigen Objekts programmiert werden, etwa für Anwendungen in der Robotik, Medizintechnik oder bei der Herstellung von Hochleistungs-Sportschuhsohlen.
Thermoplastische Elastomere: Günstig und vielseitig einsetzbar
Die Grundlage der neuen Technik sind Blockcopolymere, eine spezielle Art von Polymeren, die bei Erhitzung fließfähig werden und nach dem Abkühlen elastisch erstarren. Diese Materialien ermöglichen es, interne Strukturen zu kontrollieren und so maßgeschneiderte Materialeigenschaften zu erzielen.
Emily Davidson, Leiterin des Forschungsteams, erklärte:
„Wir können Materialien schaffen, die in verschiedene Richtungen maßgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Diese Kontrolle bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.“
Ein weiteres Schlüsselelement der Methode ist die thermische Nachbehandlung (Annealing). Diese verbessert die Materialeigenschaften nicht nur erheblich, sondern ermöglicht auch eine Wiederverwendbarkeit der Druckobjekte. So können beschädigte Teile durch Erhitzen repariert werden, ohne an Qualität einzubüßen.
Vorteile gegenüber bisherigen Verfahren
Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Flüssigkristallelastomeren bietet die neue Methode erhebliche Kostenvorteile. Während herkömmliche Materialien über 2,50 US-Dollar pro Gramm kosten, liegt der Preis der verwendeten thermoplastischen Elastomere bei etwa einem Cent pro Gramm. Zudem erfordert der Herstellungsprozess keine teuren Spezialgeräte und kann mit kommerziellen 3D-Druckern durchgeführt werden.
Das Team demonstrierte die Vielseitigkeit der Methode mit der Herstellung komplexer Objekte, wie einer mehrschichtigen Plastikvase und filigraner Schriftzüge. Durch den Zusatz spezieller Additive konnten sie zusätzliche Funktionen integrieren, wie etwa ein UV-reaktives Leuchten.
Zukünftige Anwendungen sehen die Wissenschaftler in tragbarer Elektronik und medizinischen Geräten. Die Forschungen sollen in diese Richtung weitergeführt werden.