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Chinesischen Wissenschaftlern ist ein neuer Durchbruch bei der Lösung der "Industrieprobleme" der 3D-Drucktechnologie gelungen!

26. Juli 2024

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat sich die 3D-Drucktechnologie wie ein starker Ostwind über alle Lebensbereiche ausgebreitet. Von komplexen und präzisen mechanischen Teilen bis hin zu lebensechten Produktmodellen, von fantastischen architektonischen Prototypen bis hin zu personalisierten Dingen des täglichen Bedarfs hat die 3D-Drucktechnologie mit ihrer unendlichen Kreativität und ausreichenden Flexibilität die Vorstellungskraft in die Realität umgesetzt, das Leben der Menschen bequemer gemacht und uns gleichzeitig Überraschungen gebracht.

Funktionsprinzip der 3D-Drucktechnologie

Die 3D-Drucktechnologie, auch bekannt als additive Fertigungstechnologie, ist eine innovative Produktionsmethode, bei der dreidimensionale Einheiten durch das Stapeln von Materialien Schicht für Schicht aufgebaut werden. Sein Prinzip ähnelt dem Bau eines Backsteinhauses, das sich einfach als "Schichtfertigung, Schicht für Schicht Stapeln" zusammenfassen lässt.

Der 3D-Druckprozess ist nicht kompliziert. Zuerst wird ein digitales Modell erstellt oder mit Hilfe einer computergestützten Designsoftware erhalten, und dann wird das Modell in eine Reihe von sehr dünnen Querschnittsschichten (d. h. Scheiben) geschnitten, und die Dicke jeder Schicht liegt in der Regel zwischen Dutzenden von Mikrometern und Hunderten von Mikrometern. Basierend auf diesen Schichtinformationen baut der 3D-Drucker dann Schicht für Schicht durch bestimmte Technologien und Materialien das endgültige Objekt auf.

Zu den 3D-Druckverfahren gehören Fused Deposition Modeling (FDM), Photo-Stereolithografie-3D-Druck (SLA, DLP, LCD), selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM), Stereo-Inkjet-Druck (3DP) und Layer-by-Layer-Fertigung (LOM).

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Verfahren, bei dem filamentäre thermoplastische Kunststoffe erhitzt und durch eine Düse geschmolzen, Schicht für Schicht auf einer Plattform abgeschieden und schließlich zu einem dreidimensionalen Objekt verfestigt werden. Bei dieser Technologie werden häufig thermoplastische Kunststoffe als Rohstoffe verwendet, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polymilchsäure (PLA) usw. Es hat geringe Anforderungen an die Ausrüstung und ist einfach zu bedienen, geeignet für Einzelpersonen und kleine Studios. Das "Radieschenmesser" und das "Teleskopschwert", die in letzter Zeit auf dem Spielzeugmarkt beliebt sind, werden auf diese Weise hergestellt.

Der Stereolithographie-3D-Druck (SLA, DLP, LCD) verwendet Licht eines bestimmten Bandes und einer bestimmten Form, um lichtempfindliches Harz zu bestrahlen, und das lichtempfindliche Harz wird Schicht für Schicht ausgehärtet, um Objekte in der gewünschten Form zu erzeugen. Diese Technologie hat eine hohe Formgenauigkeit und eine glatte Oberfläche und eignet sich für die Herstellung von feinen Modellen und Kleinteilen.

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden pulverförmige Materialien mit einem Laserstrahl gescannt, um sie zu schmelzen und miteinander zu verbinden, wobei sie Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt akkumuliert werden. Diese Technologie verwendet Pulver als Rohstoff (z. B. Nylon, Metallpulver, Keramikpulver usw.), hat eine hohe Formgenauigkeit und eignet sich für die Herstellung von Funktionsteilen mit komplexen Strukturen.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) hat eine höhere Laserenergie, ähnlich wie das selektive Lasersintern (SLS), und kann Metallpulver vollständig schmelzen, um ein Rapid Prototyping von Metallteilen zu erreichen. Diese Technologie verwendet häufig Metallpulver (z. B. Titanlegierung, Edelstahl usw.) als Rohstoffe, kann hochfeste, hochpräzise Metallteile drucken und ist in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und in anderen Bereichen weit verbreitet.

Beim Stereo-Inkjet-Druck (3DP) werden pulverförmige Materialien (Metall oder Nichtmetall) und Klebstoffe als Rohstoffe verwendet und der Haftmechanismus verwendet, um jedes Bauteil Schicht für Schicht zu drucken. Die Formmuster dieser Drucktechnologie haben die gleiche Farbe wie das eigentliche Produkt und es handelt sich derzeit um eine ausgereiftere Farb-3D-Drucktechnologie.

Bei der Herstellung laminierter Objekte (LOM) werden dünne Blechmaterialien (wie Papier, Kunststofffolien usw.) und Schmelzklebstoff als Rohstoffe verwendet und die benötigten Objekte Schicht für Schicht durch Laserschneiden und thermisches Verkleben angesammelt. Diese Technologie hat eine hohe Formgeschwindigkeit und niedrige Materialkosten und eignet sich für die Herstellung großer Strukturen und Schalen.

Obwohl das Produkt der 3D-Drucktechnologie einen hohen Restaurierungsgrad aufweist, ist dieser durch die Druckrohstoffe begrenzt. 3D-gedruckte Produkte sind stark spröde und können leicht durch äußere Kräfte zerbrechen. Wenn solche Produkte in Szenarien mit hohen mechanischen Leistungsanforderungen eingesetzt werden, erscheinen sie als etwas "unfähig". Wie kann man also das "gläserne Herz" von 3D-gedruckten Produkten so verbessern, dass sie eine gut aussehende "Haut" und "Flexibilität" haben, die nicht leicht zu brechen ist?

Am 3. Juli 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature ein Forschungsergebnis zu 3D-gedruckten Elastomeren. Die mit dieser Technologie hergestellten Gummibänder können auf das 9-fache ihrer eigenen Länge gedehnt werden, und die maximale Zugfestigkeit kann 94,6 MPa erreichen, was 1 Quadratmillimeter entspricht, der fast 10 Kilogramm Schwerkraft standhält, was eine sehr hohe Festigkeit und Zähigkeit zeigt.

"Abstimmung" zwischen Formgeschwindigkeit und Zähigkeit der Endprodukte

Beim photohärtenden 3D-Druck (SLA, DLP, LCD) erfordert die Verbesserung der Produktionseffizienz eine schnellere Formgeschwindigkeit, was zu einer Erhöhung der Vernetzungsdichte des Materials und einer Abnahme der Zähigkeit des Materials während des Aushärtungsprozesses führt. Bei herkömmlichen Verfahren nimmt zwar die Zähigkeit des Materials zu, aber auch die Viskosität des Materials, was zu einer Abnahme der Fließfähigkeit und einer Abnahme der Formgeschwindigkeit führt. Der Widerspruch zwischen der Formgeschwindigkeit des 3D-Drucks und der Zähigkeit des fertigen Produkts hat die gesamte Branche schon immer beunruhigt.

Chinesische Wissenschaftler haben diese beiden Widersprüche "versöhnt". Die Forscher schlugen eine Strategie für den gestuften Druck und die Nachbearbeitung vor, indem sie das Rohmaterial, das lichtempfindliche Harz, des photohärtenden 3D-Drucks und die Demontage des Druckprozesses analysierten. Die Forscher entwarfen einen DLP-Vorläufer (Digital Light Processing) von Dimethacrylat, der eine dynamisch behinderte Harnstoffbindung und zwei Carboxylgruppen auf der Hauptkette enthält. Während der Druck- und Formphase befinden sich diese Schlüsselkomponenten in einem "ruhenden" Zustand und spielen in der Verarbeitungsphase nach dem Formen eine härtende Rolle.

a. 3D gedruckte Objekte und deren Maßänderungen während der Nachbearbeitung; b. Pannenschutzleistung von 3D-gedruckten Ballons; c. Modellierung der mechanischen Durchstoßkraft; D-E. 3D-gedruckter pneumatischer Greifer zum Gewichtheben Test. Bildquelle: Referenz [1]

Während der Nachbearbeitung bei 90°C dissoziieren die behinderten Harnstoffbindungen in den 3D-Druckprodukten zu Isocyanatgruppen, die einerseits Amidbindungen mit den Seitenketten-Carboxylgruppen eingehen und andererseits mit dem von der Carbonsäure adsorbierten Wasser zu Harnstoffbindungen reagieren. Die Veränderungen in den chemischen Bindungen innerhalb der Moleküle verbinden die einzelne Netzwerkstruktur im Material zu einer sich gegenseitig durchdringenden Netzwerkstruktur, ähnlich wie "Hand in Hand", wodurch mehr Wasserstoffbrückenbindungen entstehen und die innere Struktur des Materials gestärkt wird. Gerade wegen der Veränderungen in der inneren Struktur des Materials haben die 3D-gedruckten Produkte einen größeren Pufferraum, wenn sie durch äußere Kräfte verformt werden, ähnlich dem Energieabsorptionseffekt einer Fahrzeugkollision, was die Schlag- und Bruchfestigkeit des Produkts verbessert und eine höhere Zähigkeit aufweist.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die durch 3D-Druck mit DLP-Vorläufer hergestellte Folie mit einer Dicke von nur 0,8 mm eine extrem starke Pannenschutzleistung aufweist, die es ihr ermöglicht, einer Kraft von 74,4 Newton standzuhalten, ohne zu brechen. Selbst unter Hochdruck-Aufblasbedingungen kann der 3D-gedruckte pneumatische Greifer eine 70 Gramm schwere Kupferkugel mit scharfen Dornen auf der Oberfläche greifen, ohne zu brechen, was die ultrahohe Zähigkeit und strukturelle Festigkeit von 3D-gedruckten Produkten demonstriert.

Breite Anwendung von 3D-gedruckten Elastomeren

Im Bereich der Sportgeräte bieten 3D-gedruckte Elastomere Sportlern eine personalisierte Hochleistungsausrüstung. So nutzen beispielsweise maßgeschneiderte Einlagen und Schutzausrüstungen die stoßdämpfenden und stützenden Eigenschaften von Elastomeren, um die sportliche Leistung von Sportlern zu optimieren und das Tragegefühl zu verbessern. Gerade bei Extremsportarten und High-Impact-Sportarten können 3D-gedruckte Elastomermaterialien die Belastung von Sportlern während des Trainings deutlich reduzieren und ihre Gelenke und Muskeln vor Verletzungen schützen.

In der Automobil- und Luft- und Raumfahrt werden 3D-gedruckte Elastomere für Schlüsselkomponenten wie stoßdämpfende Leichtbauteile und Dichtungen verwendet. Diese Teile können das Gewicht reduzieren und durch komplexe Strukturkonstruktionen eine hohe Leistung aufrechterhalten.

Im Bereich der elektronischen Produkte können Smart Speaker, Smart Armbänder, Handyhüllen und andere Produkte mit Elastomermaterialien bedruckt werden. Diese Produkte weisen nicht nur eine hervorragende Weichheit und Elastizität auf, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit, wodurch die vielfältigen Anforderungen der Verbraucher an das Aussehen und die Leistung des Produkts erfüllt werden können.

Im Bereich der industriellen Fertigung wird die 3D-Druck-Elastomertechnologie zur Herstellung verschiedener industrieller Formen und Transmissionsriemen und anderer Teile eingesetzt. Diese Teile müssen größeren mechanischen Belastungen und Vibrationen standhalten, und Elastomerwerkstoffe sind mit ihrer hervorragenden Elastizität und Ermüdungsbeständigkeit die ideale Wahl. Die Herstellung dieser Teile durch 3D-Drucktechnologie kann nicht nur die Produktionseffizienz verbessern, sondern auch die Herstellungskosten senken.

Das Aufkommen der 3D-Druck-Elastomertechnologie hat die Einsatzszenarien von 3D-Druckprodukten weiter erweitert und mehr farbenfrohe Möglichkeiten in unser Leben gebracht.