Holz und Spinnenseide als Inspiration: ETH Zürich druckt mit Flüssigkristallpolymeren und FDM-3D-Druckern leichte aber starke Strukturen

 20. September 2018  Jan Zieler  

Das Schweizer Forscherteam für weiche und komplexe Materialien an der ETH Zürich hat mit Flüssigkristallpolymeren und kostengünstigen FDM-3D-Druckern einen bioanalogen Ansatz für den 3D-Druck von leichten aber trotzdem starken Strukturen entwickelt. Die Forscher waren in der Lage, 3D-gedruckte Objekte aus einem einzigen recycelbaren Material mit mechanischen Merkmalen herzustellen.

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Die ETH Zürich ist für ihre herausragenden Technologien und Entwicklungen mit Bezug auf die 3D-Drucktechnologie bekannt, wie zum Beispiel einem 3D-gedrucktesn funktionsfähigen Silikonherz, einem Hydrogel für den 3D-Druck von lebenden Bakterien oder zuletzt mit „Smart Lab“ einer smarten Hausdecke aus Sand. Die neueste Entwicklung der Schweizer Forscher bezieht sich auf leichte und zähe Strukturen, die mithilfe eines FDM-3D-Druckers und eines Flüssigkristallpolymers additiv hergestellt werden können.

Holz und Spinnenseide

Wenn leichte und zugleich starke Materialien benötigt werden – etwa bei biomedizinischen Implantaten, in Fahrzeugen und Flugzeugen – werden in der Regel faserverstärkte Polymerstrukturen verwendet. Solche leichten Materialien erfordern trotz ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit arbeits- und energieintensive Fertigungsprozesse. Die Ergebnisse dabei sind leicht zerbrechlich, spröde sowie schwierig zu recyceln und zu formen. Die Forscher der ETH Zürich ließen sich von zwei in der Natur existierenden Materialien inspirieren: Holz und Spinnenseide. Spinnenseide erhält durch den hohen Grad an molekularer Seidenproteinausrichtung entlang der Faserrichtungen ihre unvergleichlichen mechanischen Eigenschaften.

Darstellung von 3D-Druck hierarchischer, thermotroper LCPs mit Fused Deposition Modeling
Die Forscher der ETH Zürich ließen sich von zwei in der Natur existierenden Materialien inspirieren: Holz und Spinnenseide. Bild © ETH Zürich)

Das Forscherteam hat als FDM-Ausgangsmaterial ein Flüssigkristallpolymer verwendet und konnte so die Eigenschaften der Spinnenseide reproduzieren. Es wurden außerdem die anisotropen Fasereigenschaften verwendet, indem entsprechend den spezifischen Belastungsbedingungen der Umgebung die lokale Druckpfadrichtung angepasst wurde. Dieses Konstruktionsprinzip findet man beim Holz entlang der Spannungslinien, berichtet das Team auf der Website der ETH Zürich in einem Artikel. Die 3D-gedruckten LCP-Strukturen demonstrieren komplexe Geometrien, hierarchische Architekturen und beispiellose Zähigkeit und Steifigkeit. Sie sind im Vergleich zu den modernen 3D-gedruckten Polymeren viel stärker.

3D-gedruckte Proben mit Drucklinien
3D-gedruckte Proben mit Drucklinien Bild © ETH Zürich)

Die neue Technologie könnte eine entscheidende Rolle bei Energiegewinnungs- und verschiedenen strukturellen biomedizinischen Anwendungen spielen. Da diese Forschung mit einem kommerziellen FDM-3D-Drucker und einem leicht verfügbaren Polymer durchgeführt wurde, hofft das Forscherteam, dass dieses Material von der Open-Source-Community und vielen Nutzern der additiven Fertigung übernommen wird, um komplexe, starke und leichte 3D-gedruckte LCP-Objekte herstellen zu können.

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