Forscher entwickeln neues Verfahren für den 3D-Druck von Latex
Latex ist das flexibelste bisher bekannte Material, das in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet ist. Es hat einen natürlichen Ursprung und besteht aus langen Polymerketten, die zu wasserdispergierten Nanopartikeln gerollt sind. Obwohl Latex im Allgemeinen sehr bekannt ist, wurde dieses in der additiven Fertigung nur selten verwendet. Der Grund dafür ist, dass bestimmte Anforderungen nötig sind, um Latex drucken zu können. Nun hat eine Gruppe von Forschern der Virginia Tech University (VTU) in Zusammenarbeit mit dem Team von Michelin Nordamerika eine neue Methode für den 3D-Druck mit Latex entwickelt, die den Weg für das Drucken mit elastischeren Materialien öffnen soll.
Phil Scott, Student im fünften Studienjahr an der Long Research Group und Teil des Forschungsteams, hatte bereits seit einiger Zeit versucht, Latex zu synthetisieren, um das für den 3D-Druck erforderliche Molekulargewicht und die mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Durch die Verwendung von Flüssiglatex erkannte er, dass das Material extrem spröde und chemisch schwer zu verändern war.
Die Chemiker und Ingenieure, die am Latex-Druck beteiligt sind (Bildnachweis: VTU)
„Latex befindet sich in einem Zen-Zustand“, erklärte Viswanath Meenakshisundaram, ein Doktorand des Maschinenbaus, der an dem Projekt mitarbeitet. „Wenn man ihm etwas hinzufügt, verliert er völlig seine Stabilität und zerbricht. Um dieses Problem anzugehen, verwendete das VTU-Team wasserlösliche Netzwerkvorläufer (Fotoinitiatoren), um ein abstimmbares Gerüst zu schaffen, das die Latexpartikel umgibt und es ihnen ermöglicht, miteinander zu verschmelzen. Diese Technik war erfolgreich und führte zu einer Latex-Variante, die in der Stereolithographie verwendet werden kann.
Die neue Technologie für den 3D-Druck von Latex
Nachdem Latex chemisch modifiziert wurde, um 3D-druckbar zu werden, musste ein neuer 3D-Drucker entwickelt werden, der mit dem neuen Material hergestellt werden konnte. Also machte sich Meenakshisundaram an die Arbeit und entwickelte eine SLA-Maschine zur Aushärtung des neuen Harzes durch Licht. Aber selbst mit dem maßgeschneiderten 3D-Drucker verursachten die Flüssigkeitspartikel des Latex eine Dispersion außerhalb des UV-Lichts, das auf die Oberfläche des Latexharzes projiziert wurde, was dazu führte, dass ungenaue Teile gedruckt wurden. Daher musste das Team die Maschine verbessern und modifizieren: Sie setzten eine Kamera in den Drucker ein, um ein Bild von jedem Bottich Latexharz aufzunehmen. Mit ihrem maßgefertigten Algorithmus kann die Maschine die Wechselwirkung von ultraviolettem Licht auf der Harzoberfläche „sehen“ und dann automatisch die Druckparameter anpassen, um die Harzdispersion zu korrigieren und nur die gewünschte Form zu härten.
„Das Gerüst gibt ihm die Form. Sobald man es in den Heizofen gibt, verdampft das Wasser, und die dicht gewundenen Polymerketten können sich entspannen, sich ausbreiten oder fließen und das Netz durchdringen“, sagte Meenakshisundaram, der dieses durchdringende Polymernetz als „Fangen von Fischen in einem Netz“ beschrieb.
Stereolithographie-Verfahren für den Druck von Latex (Image credits: VTU)
Um seine Funktionalität zu testen, druckte das VTU-Team 3D eine Reihe von lichthärtenden Objekten aus Latex. Die Proben wurden sehr detailgetreu gedruckt und zeigten eine erheblich verbesserte Widerstandsfähigkeit im Vergleich zu den bestehenden Latex-Materialien. Sie wiesen Dehnungen von mehr als 500% auf, mit einer durchschnittlichen Bruchfestigkeit von 9,7 MPa.
Die beiden anderen Forscher des Projekts bemerkten, dass die Entwicklung der neuen Technik des 3D-Drucks mit Latex tatsächlich die Tür zum 3D-Druck mit einer noch nie dagewesenen Bandbreite von Materialien öffnet: „Diese Arbeit erweitert die Möglichkeiten zum Drucken von Elastomeren mit komplexen Eigenschaften, die eine Dehnbarkeit von mehr als 500% aufweisen, fast 200% über den führenden kommerziellen Elastomeren“, folgerten die VTU-Forscher. Weitere Informationen über das Projekt finden Sie auf der offiziellen Website der Universität.
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