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4D-Druck-System für Keramik entwickelt

Ein gedrucktes Origami-Objekt aus Kermaik imitiert das Sydney Opera House. (Credit: City University of Hong Kong)

Vom Kunsstoff bis zur Lebensmittel-Paste – aus einer Reihe unterschiedlicher Materialien zaubern 3D-Drucker bereits faszinierende Gebilde. Eine wichtige Stoffklasse gilt dabei allerdings als problematisches Ausgangsmaterial: Keramik. Doch nun haben Forscher eine raffinierte „Keramiktinte“ entwickelt, mit der sich komplexe 3D-Gebilde aus diesem besonderen Material herstellen lassen. Das Verfahren kann sogar um weitere strukturgebende Faktoren ergänzt werden – es handelt sich somit um ein 4D-Druck-System mit enormem Potenzial, sagen die Entwickler.

Keramikstoffe sind hart, extrem widerstandsfähig gegenüber Hitze sowie Korrosion und besitzen weitere nützliche Aspekte, die sie zu interessanten Ausgangsmaterialien für viele Anwendungsbereiche machen. Deshalb standen keramische Materialien auch bereits im Fokus der Entwicklung von 3D-Druckverfahren. Bisher war allerdings ein wichtiger Hemmschuh: Keramik-Stoffe haben einen hohen Schmelzpunkt, so dass es schwierig ist, sie als flüssiges Ausgangsmaterial zur Herstellung von Rohlingen in 3D-Laserdruckern zu verwenden. Außerdem ließen sich nur schwer Keramiken mit komplexen Formen herstellen, weil sich die bisherigen 3D-gedruckten Vorstufen vor dem Brennen kaum verformen ließen.

Flexible Rohlinge aus „Keramiktinte“

Um die bisherigen Probleme zu meisten, tüfteln die Forscher um Jian Lu von der City University of Hong Kong bereits seit einiger Zeit an einer „Keramiktinte“ mit neuartigen Eigenschaften. Wie sie berichten, ist ihnen nun eine vielversprechende Mixtur gelungen. Es handelt sich um eine fein abgestimmte Mischung aus Polymeren und keramischen Nanopartikeln. Sie bildet ein Ausgangsmaterial mit beeindruckenden Merkmalen, das durch Brennen in widerstandsfähige Keramik umgewandelt werden kann. Wie die Entwickler demonstrieren, können die mit der neuen Tinte erzeugten 3D-gedruckten Keramikvorläufer dreimal über ihre ursprüngliche Länge hinaus gedehnt werden. Dadurch sind komplexe Formgebungen möglich, wie beispielsweise Origami-Faltungen. Anschließend können die Rohlinge durch Hitze in stabile Keramik-Objekte verwandelt werden.

Wie die Entwickler hervorheben, ist ein besonderer Aspekt des neuen Systems, dass es Methoden des sogenannten 4D-Druckens ermöglicht. Diese Verfahren basieren auf dem konventionellen 3D-Druck, erweitern ihn aber um die vierte Dimension der Zeit. Konkret bedeutet das: Durch Faktoren wie mechanische Kraft, Temperatur oder ein Magnetfeld formen sich die Rohlinge um oder fügen sich selbst zusammen. Für die Präsentation dieses Konzepts nutzte das Team in gestreckten Vorläufern gespeicherte elastische Energie für den anschließenden Morphing-Prozess: Wenn die gestreckten Rohlinge gezielt von den Zugkräften befreit werden, bilden sie von selbst bestimmte Formen wie etwa Einrollungen oder Faltungen aus, die dann durch das anschließende Brennen verewigt werden können.

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Großes Potenzial zeichnet sich ab

„Durch die vielseitigen Morphing-Fähigkeit der gedruckten Keramikvorstufen ist das Anwendungspotenzial enorm!“ sagt Lu. Im Fokus stehen etwa Teile für elektronische Geräte. Denn keramische Materialien haben eine viel bessere Leistung bei der Übertragung elektromagnetischer Signale als metallische Materialien, erklärt der Wissenschaftler. Die künstlerischen Aspekte von Keramikmaterialien bieten ihm zufolge außerdem das Potenzial für Verbraucher, individuell gestaltete Keramik-Gebilde im 4D-Duck-Verfahren zu entwickeln.

Sogar die Luftfahrt und die Weltraumforschung könnten von der Innovation profitieren, betont Lu: „Da Keramik ein mechanisch robustes Material ist, das hohe Temperaturen vertragen kann, eignen sich 4D-gedruckte Keramikstrukturen besonders als Antriebskomponenten in der Raumfahrt“. Indes soll nun die Entwicklung der Keramiktinte weitergehen: Lu und seine Kollegen arbeiten derzeit an Optimierungen, die einen berühmt-berüchtigten Nachteil von Keramik abmildern sollen: Bruchanfälligkeit.

Quelle: City University of Hong Kong, Science Advances

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