Additive Fertigung 3D-Druckverfahren lässt Materialien wachsen

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Forscher der EPFL haben ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das Metalle und Keramiken innerhalb eines wasserbasierten Gels wachsen lässt. Das Ergebnis sind dichte, aber komplexe Konstruktionen, die für die nächste Generation von Energie-, Biomedizin- und Sensortechnologien geeignet sind.

Die Vat-Photopolymerisation ist eine 3D-Drucktechnik, bei der ein lichtempfindliches Harz in ein Becken gegossen und dann mit einem Laser oder UV-Licht selektiv zu einer gewünschten Form gehärtet wird. Dieser Prozess wird jedoch meist nur mit lichtempfindlichen Polymeren verwendet, was seinen nützlichen Anwendungsbereich einschränkt.

Obwohl einige 3D-Druckmethoden entwickelt wurden, um diese gedruckten Polymere in robustere Metalle und Keramiken umzuwandeln, erklärt Daryl Yee, Leiter des Laboratory for the Chemistry of Materials and Manufacturing in der Ingenieurschule der EPFL, dass die mit diesen Techniken hergestellten Materialien unter ernsthaften strukturellen Problemen leiden. „Diese Materialien neigen dazu, porös zu sein, was ihre Festigkeit erheblich verringert, und die Teile leiden unter übermäßiger Schrumpfung, was zu Verformungen führt“, sagt er.

Verbundstoffe mit sehr hohen Metallkonzentrationen

Nun haben Yee und sein Team in der Fachzeitschrift Advanced Materials eine Lösung für dieses Problem veröffentlicht. Anstatt, wie bei früheren Methoden, Licht zu verwenden, um ein mit Metallvorläufern versehendes Harz zu härten, erstellt das EPFL-Team zunächst ein 3D-Gerüst aus einem einfachen wasserbasierten Gel, einem sogenannten Hydrogel. Anschließend wird dieses 'leere' Hydrogel mit Metallsalzen durchdrungen, bevor sie chemisch in metallhaltige Nanopartikel umgewandelt werden, die die Struktur durchdringen. Dieser Prozess kann dann wiederholt werden, um Verbundstoffe mit sehr hohen Metallkonzentrationen zu erzielen.

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Nach 5-10 'Wachstumszyklen' wird in einem abschließenden Erhitzungsschritt das restliche Hydrogel verbrannt, wodurch das fertige Produkt übrig bleibt: ein Metall- oder Keramikobjekt in der Form des ursprünglichen Polymergerüsts, das dicht und stark ist.

Da die Hydrogele erst nach der Herstellung mit Metallsalzen durchdrungen werden, ermöglicht die Technik, dass ein einzelnes Hydrogel in verschiedene Verbundstoffe, Keramiken oder Metalle umgewandelt werden kann. „Unsere Arbeit ermöglicht nicht nur die Herstellung von hochwertigen Metallen und Keramiken mit einem zugänglichen und kostengünstigen 3D-Druckprozess; sie verdeutlicht auch ein neues Paradigma in der additiven Fertigung, bei dem die Materialauswahl nach dem 3D-Druck und nicht davor erfolgt,“ fasst Yee zusammen.

Für ihre Studie fertigte das Team komplexe mathematische Gitterstrukturen, sogenannte Gyroide, aus Eisen, Silber und Kupfer an und demonstrierte damit die Fähigkeit ihrer Technik, starke und dennoch komplexe Strukturen zu produzieren. Um die Festigkeit ihrer Materialien zu testen, verwendeten sie eine Vorrichtung namens Universalprüfmaschine, um steigenden Druck auf die Gyroide auszuüben.

„Unsere Materialien konnten dem 20-fachen Druck im Vergleich zu jenen, die mit früheren Methoden hergestellt wurden, standhalten, während sie nur 20 Prozent Schrumpfung im Gegensatz zu 60 bis 90 Prozent zeigten,“ sagt der Doktorand und Erstautor Yiming Ji.

Für die Herstellung fortschrittlicher 3D-Architekturen

Die Wissenschaftler betonen, dass ihre Technik besonders interessant für die Herstellung fortschrittlicher 3D-Architekturen ist, die gleichzeitig stark, leicht und komplex sein müssen, wie Sensoren, biomedizinische Geräte oder Geräte zur Energieumwandlung und -speicherung. Beispielsweise sind Metallkatalysatoren entscheidend, um Reaktionen zu ermöglichen, die chemische Energie in Elektrizität umwandeln. Weitere Anwendungen könnten Metalle mit großer Oberfläche und fortschrittlichen Kühleigenschaften für Energietechnologien sein.

Mit Blick in die Zukunft arbeitet das Team daran, ihren Prozess zu verbessern, um die Akzeptanz durch die Industrie zu erleichtern, insbesondere durch eine weitere Erhöhung der Dichte ihrer Materialien. Ein weiteres Ziel ist die Geschwindigkeit: Die wiederholten Infusionsschritte sind zwar entscheidend für die Herstellung stärkerer Materialien, machen die Methode jedoch zeitaufwändiger im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechniken, die Polymere in Metalle umwandeln. „Wir arbeiten bereits daran, die gesamte Verarbeitungszeit zu verkürzen, indem wir einen Roboter einsetzen, um diese Schritte zu automatisieren,“ sagt Yee.

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