US-Forscher an der Stanford University haben ein neues Material für den Nano-3D-Druck entwickelt, mit dem sich zum Beispiel besonders leichte und verbesserte Schutzgitter herstellen lassen. Wir stellen die Arbeit der Forscher einmal vor.

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Logo Stanford UniversityAn der Stanford University haben Forscher laut einer Pressemitteilung ein neues Material für den Nano-3D-Druck entwickelt, mit dem sie Strukturen erzeugen, die nur einen Bruchteil der Breite eines Haares entsprechen. Es gelang ihnen, sowohl starke als auch leichte winzige Gitter damit zu drucken. Sie erklärten, dass das neue Material verglichen zu anderen 3D-gedruckten Materialien mit vergleichbarer Dichte doppelt so viel Energie absorbieren kann. Ihre Erfindung wäre unter anderem für einen besseren leichten Schutz für zerbrechliche Teile von Satelliten, Drohnen und Mikroelektronik geeignet.

Ihre Arbeit mit dem Titel „Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists“ haben sie im Fachjournal Science vorgestellt. Wendy Gu, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und korrespondierende Autorin des Papiers, sagte:

„Es besteht derzeit großes Interesse daran, verschiedene Arten von 3D-Strukturen für die mechanische Leistung zu entwerfen. Darüber hinaus haben wir ein Material entwickelt, das Kräften wirklich gut standhält, sodass nicht nur die 3D-Struktur, sondern auch das Material einen sehr guten Schutz bietet.“

Metall-Nanocluster

Wendy Gu und ihre Kollegen integrierten Metall-Nanocluster, also winzige Atomklumpen, in ihr Druckmedium, um ein besseres 3D-Drucker-Material zu entwickeln. Sie nutzen die Zwei-Photonen-Lithographie, bei der das Material durch Laserlicht initiierte chemische Reaktion gehärtet wird. Es zeigte sich, dass ihre Nanocluster diese Reaktion sehr gut in Gang setzen können. Am Ende erhielten sie ein Material, zusammengesetzt aus Metall und dem polymeren Druckmedium.

Wendy Gu ergänzt:

„Die Nanocluster haben sehr gute Eigenschaften, um das Laserlicht aufzunehmen und dann in eine chemische Reaktion umzuwandeln. Und sie können dies mit mehreren Polymerklassen tun, sodass sie noch vielseitiger sind, als ich erwartet hatte.“

Stanford Logo winzig
Das Forscherteam hat ein neues Material zum Drucken im Nanomaßstab entwickelt (im Bild: Druckbeispiel Stanford-Logo)(Bild © John Kulikowski).

Die Forscher konnten Metall-Nanocluster mit Acrylaten, Epoxiden und Proteinen kombinieren, mehrere gängige Polymerklassen, die im 3D-Druck eingesetzt werden. Dadurch gelang es ihnen auch, den Druckprozess zu beschleunigen. Nanocluster mit Proteinen ließen sich mit einer Geschwindigkeit von 100 Millimetern pro Sekunde drucken. Das ist rund 100-mal schneller als beim Drucken von Proteinen im Nanobereich.

Nanocluster-Polymer-Verbundstoffe und Gitterstrukturen mit vielfältigen Fähigkeiten

Sie testeten ihre Entwicklung mit mehreren verschiedenen Gitterstrukturen. Bei einigen hatte die Fähigkeit Priorität, schwere Last zu tragen, bei anderen die Fähigkeit, einen Aufprall zu absorbieren. Alle Strukturen mit dem Nanocluster-Polymer-Verbundstoff zeigten eine sehr gute Kombination aus Energieabsorption, Festigkeit und Rückstellvermögen. Einfacher ausgedrückt zeigten sie die Fähigkeit, zu quetschen und zurück zu federn.

Wendy Gu erklärt:

„Die Gitterstruktur spielt sicherlich eine Rolle, aber was wir hier zeigen, ist, dass es für die Leistung wichtiger ist, wenn das Material, aus dem es besteht, optimiert ist. Sie müssen sich keine Gedanken über die genaue 3D-Struktur machen, wenn Sie die richtigen Materialien zum Drucken haben.“

Die Forscher ahmen das nach, was in der Natur gegeben ist. Knochen sind äußerst widerstandsfähig, obwohl sie hart sind, aber eine nanoskalige Porosität und einen geringen Anteil an weichem Material aufweisen. Dank dieser Kombination können Knochen Energie übertragen, bestenfalls ohne zu brechen und bleiben dabei auch recht leicht. Optimale 3D-gedruckte Schutzstrukturen würden ebenfalls mehrere Materialarten aufweisen, einige härter und andere weicher. So sollen sie einen Aufprall besser verteilen und Quetschungen besser standhalten.

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