Forscher der City University of Hong Kong (CityU) haben einen Weg gefunden, 3D-gedruckte Polymergitterteile 100-mal stärker als zuvor zu machen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Wärmebehandlungen, bei denen gedruckte Kunststoffobjekte auf Kosten der Verformbarkeit verstärkt werden, karbonisiert der Ansatz von CityU sie einfach teilweise, um sie stärker und doppelt so dehnbar zu machen. Mit ihrem Verfahren, so das Team, ist es möglich, komplexe 3D-Drucke mit mechanischen Eigenschaften zu erzielen, die auf bestimmte Anwendungen wie Koronarstents oder Bioimplantate zugeschnitten sind.
„Es ist erstaunlich, dass wir einen Weg gefunden haben, zerbrechliche und zerbrechliche 3D-gedruckte Photopolymere in ultraharte 3D-Strukturen umzuwandeln, die mit Metallen und Legierungen konkurrieren können, indem wir sie einfach unter den richtigen Bedingungen erhitzen“, sagte CityU-Professor Lu Yang. "Unsere Arbeit bietet einen kostengünstigen, einfachen und skalierbaren Weg zur Herstellung leichter, starker und formbarer mechanischer Metamaterialien mit praktisch jeder Geometrie."
Auf der Jagd nach dem „Heiligen Gral“ der Materialien
Laut Wissenschaftlern von CityU gilt die Entwicklung eines Polymers, das leicht, aber gleichzeitig ultrahochfest und dehnbar ist, als „heiliger Gral“ der Materialforschung und -entwicklung, aber diese Eigenschaften schließen sich oft „gegenseitig“ aus.
Dies liegt daran, dass die Pyrolyse, ein Verfahren, das üblicherweise verwendet wird, um Kunststoffteile durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre in verstärkten Kohlenstoff umzuwandeln, dem ursprünglichen Polymer fast die gesamte Verformbarkeit entzieht. Das Team räumt zwar ein, dass es andere Kunststoff-Verstärkungsmethoden gibt, aber sie sagen, dass diese auch zu „inhärenter Sprödigkeit und geringer Zähigkeit“ führen, die „die strukturellen Anwendungen [des endgültigen Teils] einschränken“.
Insbesondere schränken diese Mängel die Herstellung von Teilen aus „Metamaterialien“ ein, die so konstruiert sind, dass sie Eigenschaften aufweisen, die in natürlichen Rohstoffen nicht zu finden sind. Bestimmte Iterationen davon können verwendet werden, um Mikrogitter zu erstellen, die leichte Strukturdesigns mit den Qualitäten der Materialien kombinieren, aus denen sie bestehen, aber die Forscher sagen, dass ihre 3D-Druckfähigkeiten noch begrenzt sind.
„Starke und robuste architektonische Komponenten erfordern oft Metalle oder Legierungen für den 3D-Druck, aber sie sind aufgrund der hohen Kosten und der geringen Auflösung von kommerziellen 3D-Metalldruckern und Rohmaterialien nicht ohne weiteres verfügbar“, fügte Yang hinzu. "Polymere sind leichter verfügbar, aber oft fehlt es ihnen an mechanischer Festigkeit oder Zähigkeit."
Entwickeln Sie Polymere, die 100-mal widerstandsfähiger sind
Bei der Untersuchung von 3D-gedruckten Polymergittern sagte das CityU-Team, sie hätten einen Weg gefunden, sie in einen „magischen“ Zustand der teilweisen Karbonisierung zu erhitzen. Durch sorgfältige Kontrolle der Heizrate, Temperatur, Dauer und Gasumgebung des Pyrolyseprozesses stellten die Wissenschaftler fest, dass die Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität der Mikrogitter in einem einzigen Schritt erhöht werden konnten.
Die Forscher machten diese Entdeckung durch eine Reihe von Charakterisierungstechniken, die zeigten, dass eine langsame Erwärmung dazu führt, dass die Polymerketten des Materials während der pyrolytischen Umwandlung eine unvollständige Umwandlung erfahren. Dadurch entsteht ein Hybridmaterial, in dem strukturell verstärkte Kohlenstofffragmente und lose vernetzte Polymerketten, die eine Rissbildung des Verbundwerkstoffs verhindern, synergetisch koexistieren.
Durch weitere Forschung und Entwicklung entdeckten die Forscher, dass das Verhältnis von Polymer zu Kohlenstofffragmenten auch entscheidend für die Herstellung von Teilen ist, die auf Festigkeit und Duktilität optimiert sind. Um ihre Theorie auf die Probe zu stellen, erstellte das Team mehrere Testdrucke, in denen sie iterativ ein karbonisiertes Gitter entwickeln konnten, das 100-mal stärker und doppelt so dehnbar war wie zuvor.
Als zusätzlichen Bonus zeigten die "Hybrid-Kohlenstoff"-Mikrogitter der Forscher auch eine bessere Biokompatibilität als ihre Basispolymere und es wurde sogar gezeigt, dass sie die zelluläre Bioaktivität besser unterstützen. Vor diesem Hintergrund glaubt das Team, dass ihr Verfahren verwendet werden könnte, um die Funktionalität einer Vielzahl anderer Polymere zu erweitern und neue 3D-Druckmaterialien für medizinische, Roboter- und Energiegeräte freizuschalten.
Beispiele für aus karbonisierten Materialien 3D-gedruckte Koronarstents