3D-Druck mit recycelbaren und selbstreparierenden Elastomeren
Die Texas A&M University und das U.S. Army Research Laboratory haben gemeinsam an der Entwicklung von recycelbaren und selbstreparierenden Elastomeren für die additive Fertigungsindustrie gearbeitet. Durch Anpassung der Chemie eines einzelnen Polymers entwickelten die Forscher ein Material, das in der Lage ist, von ultraweich bis extrem steif zu reichen und auf natürliche Weise aneinander zu haften, egal ob in Luft oder Wasser. Die möglichen Anwendungen könnten vor allem für den militärischen Bereich interessant sein – dieses Material könnte z.B. zur Selbstreparatur von Flugzeugkomponenten, aber auch für die Robotik eingesetzt werden.
Auf dem Markt der additiven Fertigung gibt es eine wachsende Zahl von Materialentwicklungen, die neue Eigenschaften und Merkmale für alle Branchen mit sich bringen. Ziel ist es, Lösungen anzubieten, die widerstandsfähiger, langlebiger, leichter und mit hohen mechanischen und chemischen Eigenschaften ausgestattet sind. Einige Akteure haben sich für den Grad der Steifigkeit und Flexibilität dieser Materialien interessiert, und heute stehen mehrere Elastomere für den 3D-Druck zur Verfügung. Dabei handelt es sich um Polymere, die aus langen Ketten vernetzter Moleküleinheiten bestehen, was ihnen eine gummiartige Qualität verleiht. Durch Erhöhung der Anzahl der Vernetzungen können Elastomere steifer gemacht werden; sie werden jedoch nicht wiederverwertbar gemacht. Darüber hinaus hat eine Umkehrung des Vernetzungsprozesses großen Einfluss auf die Festigkeit und Verarbeitbarkeit des Materials.
Bildnachweis: Texas A&M Universität
Dieses Forscherteam wollte daher eine Alternative entwickeln, eine Lösung, die es ermöglicht, ein wiederverwertbares Elastomer zu haben, bei dem die Anzahl der Vernetzungen leicht verändert werden kann. Swetlana Suchischwili, Professorin an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und korrespondierende Autorin der Studie, erklärt: „Vernetzungen sind wie Stiche auf einem Stück Stoff, je mehr Stiche es gibt, desto steifer wird das Material und umgekehrt. Anstatt dass diese „Stiche“ dauerhaft sind, wollten wir eine dynamische und reversible Vernetzung erreichen, damit wir wiederverwertbare Materialien herstellen können.“ So begann das Team mit einem Ausgangspolymer, einem so genannten Prepolymer, an das sie zwei Arten von vernetzenden Molekülen, Furan und Maleimid, banden. Durch die Erhöhung dieser Anzahl konnten die Forscher steifere Materialien entwerfen. Sie sagen, dass sie in der Lage waren, die Festigkeit eines Polymers um das 1.000-fache zu erhöhen.
Besonders interessant an Furan und Maleimid ist, dass sie an einer Art reversibler chemischer Bindung beteiligt sind: Die Moleküle könnten unter Hitzeeinwirkung ihren Zustand ändern. Bei hohen Temperaturen könnten sich die Moleküle von den Polymerketten lösen und das Material erweichen. Umgekehrt härten Materialien bei Raumtemperatur aus, weil sich die Moleküle schnell wieder anlagern und wieder Vernetzungen bilden.
Bildnachweis: Texas A&M Universität
Swetlana Suchischwili fährt fort: „Wir haben eine Gruppe aufregender Materialien geschaffen, deren Eigenschaften so eingestellt werden können, dass sie entweder die Flexibilität von Gummi oder die Festigkeit von tragenden Kunststoffen erreichen. Ihre anderen wünschenswerten Eigenschaften, wie die 3D-Druckbarkeit und die Fähigkeit zur sekundenschnellen Selbstreparatur, machen sie nicht nur für realistischere Prothesen und sanfte Robotik geeignet, sondern auch ideal für große militärische Anwendungen wie agile Plattformen für Luftfahrzeuge und futuristische selbstreparierende Flugzeugflügel.“
Forscher haben mehrere Tests mit diesen recycelbaren und selbstreparierenden Elastomeren durchgeführt, und die 3D-Druckteile sind zufriedenstellend. Sie behaupten, dass die verschiedenen Schichten eines Teils homogen zusammenpassen, wobei Glühen oder chemische Behandlung vermieden werden. Die gedruckten 3D-Teile könnten daher leicht bei hohen Temperaturen geschmolzen und dann als Druckfarbe wiederverwertet werden. Besuchen Sie die Website der Universität, um mehr zu erfahren, und sehen Sie sich das Video unten an:
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