Forscher drucken Mikrostrukturen aus Eis in 3D

Forscher an der Carnegie Mellon University in Pennsylvania behaupten, dass es ihnen gelungen ist, Mikrostrukturen aus Eis in 3D zu drucken. Sie würden diese Strukturen als Formen verwenden, mit denen sie dann interne Kanäle oder Leitungen mit höchster Feinheit und Präzision herstellen könnten. Mit diesem 3D-Eisdruckverfahren hoffen die Forscher, nützliche Anwendungen für die biomedizinische Technik, die fortgeschrittene Fertigung und die Kunst zu entwickeln.

Während wir gewöhnlich über Fortschritte im Bereich der Thermoplaste oder auch der Metalle berichten, ist es seltener, Innovationen rund um Wasser als Druckmaterial zu finden! Aufgrund seiner Biokompatibilität und seiner Fähigkeit, sich schnell und einfach in Eis zu verwandeln, war es für die Forscher eine interessante Wahl. Natürlich stieß das Team bei der Festlegung der Druckparameter auf zahlreiche Herausforderungen.

Die entwickelte Herstellungsmethode (Bild: Carnegie Mellon University)

Das Verfahren zum 3D-Druck von Eis

Akash Garg, Doktorand in Maschinenbau, und Saigopalakrishna Yerneni, Postdoctoral Associate in Chemieingenieurwesen, entwickelten das Druckverfahren. Konkret bedeutete dies, dass sie Wassertröpfchen auf eine Platte mit einer kontrollierten Temperatur von -35 °C brachten, wodurch Wasser extrem schnell zu Eis wurde. Sie brauchten mehrere Iterationen, bis sie den richtigen Druckpfad, die Geschwindigkeit der Düsenbewegung und die Häufigkeit der Tröpfchenablage gefunden hatten, um glatte Strukturen mit genau definierten Geometrien erzeugen zu können. Dabei wird ein reproduzierbares Modell angeboten. Dank der schnellen Phasenänderung des Wassers und der Widerstandsfähigkeit des Eises konnten sich die Forscher alle möglichen Formen vorstellen, ohne tragende Strukturen.

So erklärte das Team nach mehreren Tests, dass sie mehrere Formen im mikroskopischen Maßstab wie einen Baum, eine Schraube oder auch einen Oktopus erschaffen hätten. Akash Grag fährt fort: „Mit unserem Verfahren für 3D-gedrucktes Eis können wir mikroskalige Eismodelle mit glatten Wänden und verzweigten Strukturen mit glatten Übergängen herstellen. Diese Modelle können dann zur Herstellung von mikroskaligen Teilen mit klar definierten inneren Hohlräumen verwendet werden.“

Beispiele für 3D-gedruckte Strukturen (Bild: Carnegie Mellon University)

Diese Eisstrukturen würden also als Modelle dienen, um komplexere Endstücke zu entwerfen. Die Forscher nennen diese Druckmethode „inside out“ oder von innen nach außen. Konkret können die Strukturen nach ihrer Fertigstellung in einer Flüssigkeit oder dem Gel eines gekühlten Strukturmaterials wie Harz gebadet werden. Sobald dieses ausgehärtet ist, kann das Wasser leicht aus dem Werkstück entfernt werden, entweder indem das Eis geschmolzen oder in Wasserdampf umgewandelt wird. Diese zweite Methode bietet eine einfache Entfernung nach dem Gießen und ermöglicht glatte und präzise innere Kanäle.

Das Team kommt zu dem Schluss: „Wir glauben, dass dieser Ansatz ein enormes Potenzial hat, das Tissue Engineering und andere Bereiche zu revolutionieren, in denen Miniaturstrukturen mit komplexen Kanälen gefragt sind, wie etwa in der Mikrofluidik und der sanften Robotik.“ Weitere Informationen zu diesem 3D-Druckverfahren aus Eis finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: Prime Time PBC