Wissenschaftler der Oregon State University (OSU) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen eine innovative 3D-Drucktechnik entwickelt, die auf formveränderlichen Materialien basiert. Diese sogenannten Flüssigkristall-Elastomere (LCEs) verhalten sich wie weiche Motoren und könnten Anwendungen in der Robotik sowie bei medizinischen und energietechnischen Geräten erheblich verbessern. Das berichtet die OSU auf ihrer Website.
Flüssigkristall-Elastomere: Eigenschaften und Anwendungen
LCEs sind polymerbasierte Materialien, die auf externe Reize wie Wärme reagieren und ihre Form verändern können. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Anwendungen, bei denen mechanische Energie gezielt gespeichert und abgerufen werden muss.
Devin Roach, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der OSU, erklärt:
„Da sie weich sind, passen LCEs besonders gut zu den weichen Strukturen des menschlichen Körpers. Sie können beispielsweise als implantierbare medizinische Geräte eingesetzt werden, um Medikamente gezielt zu verabreichen oder bei Inkontinenz zu helfen.“
Die Einsatzmöglichkeiten reichen jedoch weit über die Medizin hinaus. In der Robotik könnten LCE-basierte flexible Roboter Bereiche erkunden, die für Menschen unzugänglich oder gefährlich sind. In der Luft- und Raumfahrt zeigen LCEs Potenzial als Aktuatoren für automatisierte Systeme, beispielsweise für extraterrestrische Explorationen oder Radarentfaltung.
Neue Ausrichtungsmethoden für Moleküle im 3D-Druck
Der Erfolg von LCEs hängt stark von der molekularen Ausrichtung innerhalb des Materials ab. Dies wurde bisher als technische Herausforderung angesehen. Roach und sein Team entwickelten eine Methode, um diese Ausrichtung durch ein Magnetfeld während des 3D-Druckprozesses zu optimieren. Der genutzte Ansatz basiert auf dem „Digital Light Processing“ (DLP)-3D-Druckverfahren, bei der Licht flüssiges Harz in präzise Formen aushärtet.
Durch Variation der Magnetfeldstärke und weiterer Parameter wie der Schichtdicke konnte das Team komplexe LCE-Formen drucken, die sich gezielt auf Wärmeveränderungen hin bewegen. Diese Fortschritte könnten die Funktionalität von LCE-basierten Materialien in zahlreichen Anwendungen erheblich erweitern.
Weitere Studien zur mechanischen Dämpfung
In einer verwandten Studie untersuchte Roach zusammen mit OSU-Studierenden und Partnern die mechanische Dämpfungsfähigkeit von LCEs. Mithilfe dem 3D-Druckverfahren „Direct Ink Writing“ (DIW) entwickelten sie energieabsorbierende Geräte, die über einen breiten Belastungsbereich effektiv Vibrationen reduzieren können. Solche Geräte finden Anwendungen in der Automobilindustrie, bei Erdbebenschutzsystemen für Gebäude und Brücken sowie bei Schwingungsdämpfern.
Die Forschung wurde unter anderem von der National Science Foundation und der Air Force Office of Scientific Research gefördert. Die Ergebnisse der Studien sind in den Fachzeitschriften Advanced Materials und Advanced Engineering Materials veröffentlicht.
