Forscher entwickeln selbstreparierendes 3D-Druckmaterial

Inzwischen gibt es eine große Anzahl verschiedener 3D-Druckmaterialien, die mit verschiedenen Technologien kompatibel sind, verschiedene Strukturen, Farben oder Konsistenzen aufweisen. Nun haben Forscher der University of Southern California, Viterbi School of Engineering, ein 3D-Druckmaterial entwickelt, das sich selbstständig reparieren kann, wenn es gebrochen oder punktiert wird. Dieses selbstreparierende 3D-Druckmaterial könnte für viele Branchen wie die Schuhindustrie, Reifen, Softrobotik und sogar die Elektronikindustrie wegweisend sein. Tatsächlich wollen die Forscher die Herstellungszeit verkürzen und gleichzeitig die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Produkte erhöhen.

Selbstreparierendes 3D-Druckmaterial: die Mischung macht’s

Das Material wird in einem 3D-Druckverfahren unter Verwendung von Photopolymerisation hergestellt. Mit anderen Worten, es verwendet Licht, um ein flüssiges Harz zu einem gewünschten Objekt zu verfestigen. Um die gedruckten Objekte zur Selbstreparatur zu bringen, musste das Forschungsteam zudem einen optimalen Mix finden. Diese Mischung wurde durch Zugabe eines Oxidationsmittels erreicht. Im Grunde ändert das Oxidationsmittel das Verhalten der Materialien; sie werden Teil der Gruppe der Disulfide. Erst kürzlich berichteten wir über eine weiter 3D-Drucktechnologie, bei der auch Licht zum Härten des Materials verwendet wurde.

Bildnachweis: Paper: „additive manufacturing of self-healing elastomers“ Asia Materials

Qiming Wang, Assistant Professor an der University of Southern California, erklärt: „Wenn wir das Oxidationsmittel allmählich erhöhen, wird das Selbstheilungsverhalten stärker, aber das Photopolymerisationsverhalten schwächer. Zwischen diesen beiden Verhaltensweisen gibt es einen Wettbewerb. Schließlich fanden wir das Verhältnis, das sowohl eine hohe Selbstheilung als auch eine relativ schnelle Photopolymerisation ermöglichen kann„.

Erfolgreiche Methode

Das Team testete ihre Methode, indem es eine Vielzahl von Objekten druckte. Dazu gehören ein Schuhkissen, ein mehrphasiger Verbundwerkstoff und ein elektronischer Sensor. Später schneiden sie alle diese Objekte in zwei Hälften. Nach etwa 2 Stunden bei 60° C (140° F) waren die meisten Objekte vollständig verheilt. Zum Beispiel reparierte sich ein Objekt, das 20 Minuten für den Druck brauchte, innerhalb dieser Zeitspanne selbst. Die Druckzeit für ein 17,5mm Quadrat beträgt nur 5 Sekunden. Zudem verlieren die reparierten Teile nach der Reparatur nicht an Kraft und Funktion verloren.

Bildnachweis: Paper: „additive manufacturing of self-healing elastomers“ Asia Materials

„Wir zeigen, dass das Material bei unterschiedlichen Temperaturen – von 40°C bis 60°C – zu fast 100 Prozent heilen kann„, sagt der Viterbi-Student Kunhao Yu, der als Erstautor des Studiums Bauingenieurwesen studiert. „Durch die Änderung der Temperatur können wir die Heilungsgeschwindigkeit beeinflussen. Selbst bei Raumtemperatur kann sich das Material noch selbst heilen.„

Das Team arbeitet nun daran, verschiedene selbstheilende Materialien mit unterschiedliche Steifigkeitsgraden zu entwickeln. Dies soll Weichgummi, aber auch harte Kunststoffe beinhalten. So könnten die härtere Materialien beispielsweise für Fahrzeugteile, Verbundwerkstoffe und Panzerungen zukünftig sehr nützlich sein.

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