Forscher der Universität Heidelberg haben mikroskopisch kleine Geckos und Kraken aus intelligenten Polymeren im 3D-Druckverfahren hergestellt. Diese passen sich in ihrer Größe und ihren mechanischen Eigenschaften, je nach Anforderung, mit hoher Präzision an. Bekannt ist dieses Verfahren auch als 4D-Druck. Wir stellen die Arbeit der deutschen Forscher einmal genauer vor.

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Forscher an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg haben laut einer Pressemitteilung mikroskopisch kleinen Geckos und Kraken mit 3D-Druck hergestellt. Die „intelligenten“ Polymere, die dafür eingesetzt wurden, können in ihrer Größe und ihren mechanischen Eigenschaften je nach Anforderung mit hoher Präzision angepasst werden. Die „lebensechten“ 3D-Mikrostrukturen sind im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O) entstanden. Die Forscher haben ihre Arbeiten in den beiden Artikeln „Covalent Adaptable Microstructures via Combining Two-Photon Laser Printing and Alkoxyamine Chemistry: Toward Living 3D Microstructures“ und „4D Printing of Shape Memory Polymers: From Macro to Micro“ in dem Fachjournal „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.

Juniorprofessorin Dr. Eva Blasco, Leiterin einer Arbeitsgruppe am Organisch-Chemischen Institut und am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg, sagte:

„Die Herstellung programmierbarer Materialien, deren mechanische Eigenschaften je nach Bedarf angepasst werden können, ist für zahlreiche Anwendungen äußerst gefragt.“

4D-Druck im Mikrobereich

Bei dem als 4D-Druck bezeichneten Konzept bezieht sich die zusätzliche vierte Dimension auf die Eigenschaften 3D-gedruckter Objekte. Diese können ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit unter bestimmten, sich ändernden Bedingungen (z.B. Temperaturänderung) selbstständig verändern. Formgedächtnispolymere, die auch im Rahmen einer Forschungsarbeit an der Georgia Tech zum Einsatz kamen, sind typische Materialien für den 4D-Druck. Diese Materialien reagieren auf Temperatur und andere externe Stimuli, um von einem verformten Zustand zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren.

3D-gedruckte Mikrostrukturen
Intelligente Polymere mit „lebensechten“ Eigenschaften: Aufgrund dynamischer chemischer Verbindungen können die mikrometrischen 3D-Gebilde innerhalb weniger Stunden um das Achtfache ihres Volumens wachsen und sich verhärten (Bild © Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg).

Die Forscher rund um Prof. Blasco präsentierten aktuell eines der ersten Beispiele für den 3D-Druck mit Formgedächtnispolymeren auf der Mikroskala. Unterstützt wurden sie von der Arbeitsgruppe des Biophysikers Prof. Dr. Joachim Spatz, Wissenschaftler an der Ruperto Carola und Direktor am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung. Es entstand ein Formgedächtnismaterial, das im Mikro- und Makrobereich mit hoher Auflösung mit 4D-Druck hergestellte werden konnte. Sie stellten zum Beispiel boxartige Mikroarchitekturen her, deren Deckel sich unter Hitzeeinwirkung schließen und wieder öffnen ließen. Bei geringen Auslösetemperaturen zeigten die sehr kleinen Strukturen laut Christoph Spiegel, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Eva Blasco, außergewöhnliche Formgedächtniseigenschaften, was insbesondere für Bioanwendungen von großem Interesse sein soll.

Komplexe 3D-Mikrostrukturen aus adaptiven Materialien

Die komplexen 3D-Mikrostrukturen, wie die 3D-gedruckten Geckos und Kraken, konnten in der Folgearbeit mit adaptiven Materialien mit „lebensechten“ Eigenschaften angefertigt werden. Um die dynamischen chemischen Bindungen zu erreichen, seien besonders Alkoxyamine geeignet. Dank der dynamischen Bindungen wachsen die komplexen, mikrometrischen Gebilde in nur wenigen Stunden um das Achtfache ihres Volumens und verhärten sich. Die Form bleibt dabei erhalten.

Wie Prof. Blasco weiter betont, verfügen herkömmliche Tinten nicht über solche Eigenschaften. Für sie haben adaptive Materialien mit dynamischen Bindungen eine vielversprechende Zukunft im Bereich des 3D-Drucks. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) waren ebenfalls an der Forschung zu adaptiven Materialien beteiligt.

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