Kunststoff 3D-druckbares elastisches Polymer erweist sich als robust

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Forschende der EPFL haben entdeckt, dass ein weiches Material, das ursprünglich für den 3D-Druck optimiert wurde, eine langjährige Herausforderung der Materialwissenschaft lösen könnte: die Herstellung von 3D-druckbaren Elastomeren, die sowohl zäh als auch langlebig sind.

Im Jahr 2024 stellten Forschende des Soft Materials Laboratory (SMaL) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL granulare Doppelnetzwerk-Elastomere (DNGEs) vor: gummiähnliche Materialien aus mikroskopischen Elastomerpartikeln, die durch ein weicheres Elastomernetzwerk verbunden sind. DNGEs wurden als 3D-Druck-„Tinten“ für Strukturen mit präzise abgestimmten mechanischen Eigenschaften entwickelt.Nun hat das Team eine Folgestudie in Science Advances veröffentlicht, die zeigt, dass dieselbe Architektur, die DNGEs einen 3D-Druck mit beispielloser mechanischer Kontrolle ermöglicht, auch einen unerwarteten Vorteil bietet: eine hohe Beständigkeit gegenüber Bruch und Ermüdung. Dies ist eine seltene Kombination, da Elastomere, die bruchfest sind, bei wiederholter mechanischer Belastung normalerweise Schäden akkumulieren, was ihre Lebensdauer begrenzt. Ermüdungsbeständige Materialien hingegen neigen oft zum Bruch, wenn sie übermäßiger Dehnung oder Stößen ausgesetzt werden.

„Ursprünglich lag unser Fokus auf der Verbesserung der Verarbeitbarkeit, aber als wir die granulare Struktur erst einmal hatten, entdeckten wir, dass diese Materialien auch sehr zäh sind“, sagt Esther Amstad, Leiterin des Soft Materials Lab. „Dann erkannten wir, dass ein Großteil dieser Zähigkeit auf repetitiven Mechanismen zur Energiedissipation beruht – das Material kann Energie immer wieder absorbieren, ohne irreversibel zu brechen.“Amstad erklärt, dass die DNGEs den typischen Zielkonflikt zwischen Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit dank ihrer einzigartigen, vielfältigen inneren Struktur überwinden können. „Im Wesentlichen teilen die zwei verschiedenen Netzwerke – eines aus granularen Elastomerpartikeln und eines aus weichem Elastomer – die mechanische Dehnung untereinander auf, wodurch das Material insgesamt fester wird.“

Indem wir das Spektrum der nutzbaren Materialien erweitern, können wir nicht nur den ökologischen Fußabdruck der DNGEs verringern, sondern sie auch für jedes Labor mit einem handelsüblichen 3D-Drucker noch zugänglicher machen.

Esther Amstad

Langlebigere Hochleistungswerkstoffe

In Experimenten zeigten optimierte DNGEs Bruchzähigkeitswerte, die bis zu 15-mal höher waren als bei vergleichbaren Elastomeren, sowie eine bis zu dreimal höhere Ermüdungsbeständigkeit.Bei Dehnung verteilen die Materialien die mechanische Spannung von den steifen Mikropartikeln in die weicheren Bereiche dazwischen um. Dort kann Dehnungsenergie wiederholt durch das Gleiten und Umordnen von Polymerketten abgebaut werden, anstatt durch das irreversible Brechen von Polymerbindungen, was dauerhafte Schäden begrenzt. Die granulare Struktur der DNGEs verändert zudem, wie sich Risse durch das Material bewegen. Anstatt einem geraden Pfad zu folgen, verlaufen Risse bevorzugt durch die weicheren Bereiche zwischen den Elastomer-Mikropartikeln. Dies erzeugt einen gewundenen Pfad, der ihr Wachstum verlangsamt und das Versagen hinauszögert.
Die Ergebnisse legen nahe, dass die am SMaL entwickelte Materialarchitektur, die ursprünglich für den fortschrittlichen 3D-Druck konzipiert wurde, auch eine neue Strategie für das Design langlebigerer weicher Materialien bieten könnte. Solche Werkstoffe könnten die Lebensdauer von Soft-Robotern, Elektronik und biomedizinischen Geräten verlängern, deren Komponenten über lange Zeiträume wiederholten Belastungen und Verformungen ausgesetzt sind.Das Team arbeitet bereits an der weiteren Optimierung hinsichtlich der Nachhaltigkeit, etwa durch den Einsatz biologisch abbaubarer Elastomere oder solcher aus recycelten Materialien.„Unser Ziel ist es, nachhaltigere Materialien einzusetzen, ohne Kompromisse bei der Mechanik einzugehen“, sagt Amstad. „Indem wir das Spektrum der nutzbaren Materialien erweitern, können wir nicht nur den ökologischen Fußabdruck der DNGEs verringern, sondern sie auch für jedes Labor mit einem handelsüblichen 3D-Drucker noch zugänglicher machen.“