Chinesische Wissenschaftler haben einen neuen Durchbruch bei der Lösung der „Branchenprobleme“ der 3D-Drucktechnologie erzielt!

Mit dem raschen Fortschritt der Wissenschaft und Technik heute hat die 3D-Drucktechnologie wie ein starker Ostwind in alle Bereiche des Lebens eingedrungen. Von komplexen und präzisen mechanischen Komponenten bis hin zu lebensechten Produktmodellen, von fantastischen Architekturprototypen bis hin zu personalisierten Alltagsgegenständen bringt die 3D-Drucktechnologie mit ihrer unerschöpflichen Kreativität und ausreichender Flexibilität die Vorstellung in die Realität, macht das Leben der Menschen bequemer und überrascht uns zugleich.

Funktionsprinzip der 3D-Drucktechnologie

die 3D-Drucktechnologie, auch als additive Fertigungstechnologie bekannt, ist eine innovative Herstellmethode, die dreidimensionale Objekte durch Schicht für Schicht aufgetragenes Material erstellt. Ihr Prinzip ähnelt dem Bau eines Ziegelhauses und kann einfach zusammengefasst werden als „schichtweises Herstellen, schichtweise Aufbau“.

Der 3D-Druckprozess ist nicht kompliziert. Zuerst wird ein digitales Modell mit CAD-Software erstellt oder beschafft, und dann wird das Modell in eine Reihe sehr dünner Querschnittsschichten (d.h. Slices) aufgeteilt, wobei die Dicke jeder Schicht normalerweise zwischen zehn und hundert Mikrometern liegt. Anschließend erstellt der 3D-Drucker basierend auf diesen Slicen das endgültige Objekt schichtweise mit spezifischen Technologien und Materialien.

3D-Druckverfahren umfassen Fused Deposition Modeling (FDM), Lichtstereolithografie (SLA, DLP, LCD), selektives Lasersintern (SLS), selektives LaserSchmelzen (SLM), stereolithografisches Tintenstrahldrucken (3DP) und Schichtweise Fertigung (LOM).

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Prozess, bei dem fadige thermoplastische Materialien aufgewärmt und durch eine Düse geschmolzen werden, schichtweise auf einer Plattform abgelegt werden und sich schließlich zu einem dreidimensionalen Objekt verfestigen. Diese Technologie verwendet oft thermoplastische Materialien als Rohstoffe, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polylactidsäure (PLA) usw. Sie hat geringe Anforderungen an die Ausrüstung und ist einfach zu bedienen, weshalb sie für Einzelpersonen und kleine Studios geeignet ist. Die kürzlich im Spielzeugmarkt beliebten "Radieschenmesser" und "Teleskopklingen" werden auf diese Weise hergestellt.

Stereolithografie 3D-Druck (SLA, DLP, LCD) verwendet Licht einer bestimmten Wellenlänge und Form, um lichtempfindliches Harz zu belichten, wobei das Harz schichtweise gehärtet wird, um Objekte der gewünschten Form zu erzeugen. Diese Technologie bietet hohe Formgenauigkeit und glatte Oberflächen und eignet sich zum Erstellen detaillierter Modelle und kleiner Teile.

Selektives Lasersintern (SLS) verwendet einen Laserstrahl, um Pulvermaterialien zu scannen und sie zu schmelzen und zu verbinden, Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt aufzubauen. Diese Technologie verwendet Pulver als Rohstoff (wie Nylon, Metallpulver, Keramikpulver usw.), bietet eine hohe Formgenauigkeit und eignet sich zur Fertigung von funktionsfähigen Teilen mit komplexer Struktur.

Bei der selektiven LaserSchmelzung (SLM) wird eine höhere Laserenergie eingesetzt, ähnlich wie bei der selektiven Lasersintern (SLS), wobei Metallpulver vollständig geschmolzen werden kann, um eine schnelle Fertigung von metallischen Bauteilen zu erreichen. Diese Technologie verwendet oft Metallpulver (wie Titanlegierung, Edelstahl usw.) als Rohstoff, kann hochwertige, präzise metallene Teile drucken und wird in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizin und anderen weit verbreitet eingesetzt.

Stereo-Inkjet-Druck (3DP) verwendet gepuderte Materialien (Metall oder Nichtmetall) und Klebstoffe als Rohstoffe und druckt die Komponenten schichtweise mittels Bindungsmechanismus. Die geformten Proben dieser Drucktechnologie haben die gleiche Farbe wie das eigentliche Produkt und es handelt sich derzeit um eine reifere farbige 3D-Drucktechnologie.

Schichtweise Objektherstellung (LOM) verwendet dünne Blattmaterialien (wie Papier, Folien usw.) und Schmelzkitt als Rohstoffe und baut die gewünschten Objekte schichtweise durch Laserschneiden und thermisches Verbinden auf. Diese Technologie hat eine hohe Formgeschwindigkeit und niedrige Materialkosten und eignet sich zum Erstellen großer Strukturen und Gehäuse.

Obwohl das 3D-Drucktechnologieprodukt einen hohen Grad an Wiederherstellung aufweist, ist es durch die Druckrohstoffe begrenzt. 3D-gedruckte Produkte sind sehr spröde und können leicht durch äußere Kräfte zerbrechen. Wenn solche Produkte in Szenarien eingesetzt werden, die hohe mechanische Anforderungen stellen, erweisen sie sich als etwas "unfähig". Also, wie kann man das "Glas Herz" von 3D-gedruckten Produkten verbessern, damit sie eine ansprechende "Haut" bekommen und eine "Flexibilität", die nicht leicht bricht?

Am 3. Juli 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler eine Forschungsergebnis über 3D-gedruckte Elastomere im Journal Nature. Die Gummibänder, die mit dieser Technologie hergestellt wurden, können sich bis zu neunmal ihrer eigenen Länge dehnen, und die maximale Zugfestigkeit beträgt 94,6 MPa, was einem Quadratmillimeter entspricht, der nahezu 10 Kilogramm Schwerkraft aushalten kann, wodurch eine superhohe Stärke und Zähigkeit demonstriert wird.

"Versöhnung" zwischen Formgeschwindigkeit und Zähigkeit der Fertigprodukte

Im Prozess der Lichtpolymerisierenden 3D-Drucktechnologie (SLA, DLP, LCD) erfordert die Steigerung der Produktivität eine schnellere Formgeschwindigkeit, was zu einer Erhöhung der Vernetzdichte des Materials und einer Verringerung der Zähigkeit des Materials während des Abhärtungsprozesses führt. Bei herkömmlichen Methoden führt zwar eine Zunahme der Zähigkeit des Materials auch zu einem Anstieg der Viskosität, was wiederum zu einer Verringerung der Fließfähigkeit und einer Verlangsamung der Formgeschwindigkeit führt. Das Dilemma zwischen der Formgeschwindigkeit des 3D-Drucks und der Zähigkeit des Endprodukts belastet die gesamte Branche seit langem.

Chinesische Wissenschaftler haben diese beiden Widersprüche "vereinbart". Die Forscher schlugen eine Strategie für stufenweises Drucken und Nachbearbeitung vor, indem sie das Rohmaterial, das lichtempfindliche Resin für die photocuring-3D-Drucktechnologie analysierten und den Druckprozess zerlegten. Die Forscher entwarfen einen DLP-Vorgänger (Digital Light Processing) aus Dimethacrylat, der eine dynamisch gehemmte Ureabindung und zwei Carboxylgruppen im Hauptkettenglied enthält. Während der Druck- und Formgebungsphase sind diese Schlüsselkomponenten in einem "dormanten" Zustand und spielen in der Nachbearbeitungsphase nach dem Formen eine zähmachende Rolle.

a. 3D-gedruckte Objekte und deren dimensionelle Änderungen während der Nachbearbeitung; b. Stichfestigkeit von 3D-gedruckten Ballons; c. Modellierung der mechanischen Stichkraft; d-e. Gewichtshebetest eines 3D-gedruckten pneumatischen Greifers. Bildquelle: Quelle [1]

Während der Nachbearbeitungsphase bei 90°C trennen sich die gehemmten Harnstoffbindungen in den 3D-gedruckten Produkten, um Isocyanatgruppen zu generieren, die einerseits Amidbindungen mit den Seitenketten-Carboxylgruppen bilden und andererseits mit dem durch die Carbonsäure adsorbierten Wasser reagieren, um Harnstoffbindungen zu bilden. Die Veränderungen der chemischen Bindungen innerhalb der Moleküle verbinden die einzelne Netzstruktur im Material zu einer durchdringenden Netzstruktur, die "Hand in Hand" ähnelt, was mehr Wasserstoffbrücken führt und die interne Struktur des Materials verstärkt. Gerade aufgrund der Veränderungen in der internen Struktur des Materials haben die 3D-gedruckten Produkte einen größeren Pufferspielraum, wenn sie durch äußere Kräfte deformiert werden, ähnlich wie der Energieabsorptions-Effekt bei einem Fahrzeugunfall, was die Schlagfestigkeit und Bruchfestigkeit des Produkts verbessert und eine höhere Zähigkeit erreicht.

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 Stichfestigkeit aufweist und eine Kraft von 74,4 Newton tragen kann, ohne zu reißen. Selbst unter Hochdruckaufblasbedingungen kann der 3D-gedruckte pneumatische Greifer einen kupfernen Ball mit einer Masse von 70 Gramm und scharfen Dornen auf der Oberfläche greifen, ohne zu brechen, was die ultrahohe Zähigkeit und die strukturelle Stärke von 3D-gedruckten Produkten demonstriert.

Weite Anwendung von 3D-gedruckten Elastomeren

Im Bereich der Sportausrüstung bieten 3D-gedruckte Elastomere Athleten persönlich angefertigte, hochleistungsfähige Ausrüstung. Zum Beispiel nutzen maßgeschneiderte Fußbettungen und Schutzkleidung die Federungs- und Stützeigenschaften von Elastomeren, um die sportliche Leistung von Athleten zu optimieren und das Trageerlebnis zu verbessern. Insbesondere in Extremsportarten und bei hohem Beanspruchungsgrad können 3D-gedruckte Elastomer-Materialien den Belastungen während der Bewegung erheblich entgegenwirken und Gelenke sowie Muskeln vor Verletzungen schützen.

In den Bereichen Automobil- und Luftfahrtindustrie werden 3D-gedruckte Elastomere für Schlüsselkomponenten wie leichte Federelemente und Dichtungen eingesetzt. Diese Komponenten können durch komplexe Strukturdesigns das Gewicht reduzieren und gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit aufrechterhalten.

Im Bereich der elektronischen Produkte können Smart-Sprecher, Fitnessarmbänder, Handyhüllen und ähnliche Produkte mit Elastomermaterialien bedruckt werden. Diese Produkte weisen nicht nur eine hervorragende Weichheit und Elastizität auf, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit und Dauerhaftigkeit, die den vielseitigen Anforderungen der Verbraucher an das Äußere und die Leistung der Produkte gerecht werden.

Im Bereich der industriellen Fertigung wird die 3D-Druck-Elastomer-Technologie zur Herstellung verschiedener Industrieformen und -riemen sowie anderer Komponenten eingesetzt. Diese Teile müssen größere mechanische Belastungen und Vibrationen aushalten, und Elastomermaterialien sind aufgrund ihrer hervorragenden Elastizität und Ermüdungsresistenz ideale Wahl. Die Fertigung dieser Teile mittels 3D-Drucktechnologie kann nicht nur die Produktivität steigern, sondern auch die Fertigungskosten senken.

Die Einführung der 3D-Druck-Elastomer-Technologie hat die Einsatzszenarien von 3D-Druckprodukten weiter erweitert und unserer Lebenswelt bunte neue Möglichkeiten eröffnet.