Faszination Technik Ein 3D-Druck-Material, das seine Farbe ändern kann

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Universität des Saarlandes

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: der 3D-Druck von Kunststoffteilen, deren schillernde Strukturfarben sich unter äußeren Einflüssen ändern.

Den Effekt kennt man von Schmetterlingen oder Opalen: Je nach Lichteinfall schillern die Tiere oder Edelsteine in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche sogenannten Strukturfarben verblassen nicht und sind ungiftig. Künstlich konnten diese Farben bisher nur als dünner Film hergestellt werden. Chemiker der Universität des Saarlandes haben nun Kunststoffpartikel entwickelt, mit denen im 3D-Druck dreidimensionale komplexe Objekte gefertigt werden können, die brillante Strukturfarben zeigen.

Was Strukturfarbmaterialien können

Seit 2001 können Strukturfarben künstlich hergestellt werden. Der Bruchteile eines Millimeters dicke Film wird mittels Industriepressen oder Folienwalzanlagen hergestellt. Wenn man an dem bunten Materialfilm zieht, Strom anlegt, die Temperatur oder den pH-Wert verändert, ändert er seine Farbe. Das Material ist damit beliebig schaltbar. Es ist auch völlig unschädlich im Gegensatz zu vielen anderen Farben und es bleicht niemals aus. Die Wandlungsfähigkeit der Strukturfarben wurde bisher nur durch ihre Zweidimensionalität begrenzt. Mit der Entwicklung der Saarländer Forscher sind nun auch dreidimensionale Objekte aus solchen Materialien denkbar.

Wie die dreidimensionale Umsetzung gelingt

Für Strukturfarbmaterialien kommen Kunststoffpartikel zum Einsatz, die einen harten Kern und eine weiche Schale haben. Diese „perfekten Partikel“ sind allesamt identisch groß und identisch geformt. Sie bestehen in der Regel aus Materialien wie Polystyrol oder Ethylacrylaten. Das Forschungsteam von Professor Markus Gallei hat diese Ausgangsmaterialien nun so verändert, dass sie auch im 3D-Druck verarbeitet werden können. Dafür mussten die Fließeigenschaften des pulvrigen Ausgangsstoffes so verändert werden, dass sie die Düsen des Druckers nicht verstopfen und es musste die Temperaturbeständigkeit erhöht werden. Herausgekommen sind Kern-Schale-Partikel, die aus harten Polystyrolkernen und einer vergleichsweise weichen Schale auf Polyalkylacrylatbasis bestehen. Nach Angaben der Forscher organisieren sich die monodispersen Partikel während des extrusionsbasierten 3D-Drucks selbst zu einer geordneten, dicht gepackten Gitterstruktur, was zu sichtbaren Reflexionsfarben nach Braggs Beugungsgesetz führt.

Farbänderung unter mechanischer Verformung

Unter mechanischer Verformung ändert sich die Farbe der 3D-gedruckten Objekte. Der Grund: Während des 3D-Drucks ordnen sich die Kern-Schale-Partikel in einem regelmäßigen Muster an. Je nachdem, wie die Abstände zwischen den Partikeln sind, hat es unterschiedliche Farben. Die weichen Schalen der einzelnen Partikel zerfließen zu einer Masse, welche die harten Kerne umgibt. Zieht man dann an dem Objekt, verändern sich die Abstände zwischen den einzelnen Kern-Partikeln und die Farbe ändert sich. Die harten, perfekten Partikel bewegen sich in dem weichen umgebenden Medium und ordnen sich zu einem neuen Muster an.

Aus Strukturfarbmaterialien im 3D-Druck hergestellte Objekte könnten beispielsweise als Sensoren für allerlei Messmethoden oder als Fälschungsschutz für Waren dienen. Dafür können die Wissenschaftler nach eigenen Angaben die Partikel so variieren, dass sie jede denkbare Eigenschaft besitzen.

Zur Originalpublikation im Fachjournal Advanced Functional Materials

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