Was ist das für ein Gummiband, mit dem man mit wenig Aufwand tolle Ergebnisse erzielen kann?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Angesichts der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die 3D-Drucktechnologie heute wie ein starker Ostwind, der durch alle Lebensbereiche weht. Von komplexen und präzisen mechanischen Teilen bis hin zu lebensechten Modellen, von fantastischen Architekturprototypen bis hin zu personalisierten Alltagsgegenständen – die 3D-Drucktechnologie lässt mit ihrer unendlichen Kreativität und Flexibilität die Vorstellungskraft der Menschen Wirklichkeit werden und bringt Komfort und Überraschungen in unser Leben.

3D-Druck-Produktionsmodell

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Kennen Sie sich mit 3D-Drucktechnologie aus?

Die 3D-Drucktechnologie, auch als additive Fertigungstechnologie bekannt, ist eine innovative Produktionsmethode, bei der dreidimensionale Objekte durch das schichtweise Aufeinanderschichten von Materialien aufgebaut werden. Das Prinzip der 3D-Drucktechnologie ähnelt dem Bau eines Hauses aus Ziegeln und lässt sich einfach als „schichtweise Fertigung, bei der Schicht für Schicht gestapelt wird“ zusammenfassen.

Der gesamte Prozess des 3D-Drucks ist nicht kompliziert. Zunächst wird ein digitales Modell erstellt oder mithilfe einer CAD-Software erstellt. Anschließend wird das Modell in eine Reihe sehr dünner Querschnittsschichten (d. h. Scheiben) geschnitten, wobei die Dicke jeder Schicht üblicherweise zwischen zehn und hundert Mikrometern liegt. Anschließend baut der 3D-Drucker das endgültige Objekt Schicht für Schicht auf der Grundlage der Schichtinformationen auf und verwendet dabei spezielle Techniken und Materialien.

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

3D-Drucker im Einsatz

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Bei der Fused Deposition Modeling-Technologie werden filamentartige thermoplastische Materialien durch eine Düse erhitzt und geschmolzen, Schicht für Schicht auf einer Plattform abgelegt und schließlich zu einem dreidimensionalen Objekt verfestigt. Zu den üblicherweise in dieser Technologie verwendeten Rohstoffen gehören thermoplastische Materialien wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer), PLA (Polymilchsäure) usw. Diese Technologie erfordert nur geringe Ausrüstung und ist einfach zu bedienen, sodass sie sich für den persönlichen Gebrauch und den Einsatz in kleinen Studios eignet. Auf diese Weise werden die in letzter Zeit auf dem Spielzeugmarkt beliebten „Karottenmesser“ und „einziehbaren Schwerter“ hergestellt.

Das Prinzip des lichthärtenden 3D-Drucks besteht darin, lichtempfindliches Harz mit Licht einer bestimmten Wellenlänge und Form zu bestrahlen und durch schichtweises Aushärten des lichtempfindlichen Harzes Objekte der gewünschten Form zu erzeugen. Diese Technologie zeichnet sich durch eine hohe Formgenauigkeit und glatte Oberflächen aus und eignet sich für die Herstellung feiner Modelle und kleiner Teile.

Beim selektiven Lasersintern werden pulverförmige Materialien mit einem Laserstrahl abgetastet, wodurch diese schmelzen und sich miteinander verbinden und sich Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenfügen. Diese Technologie verwendet Pulver als Rohmaterial (wie Nylon, Metallpulver, Keramikpulver usw.), weist eine hohe Formpräzision auf und eignet sich für die Herstellung komplexer Strukturen und Funktionsteile.

Das selektive Laserschmelzen ähnelt dem selektiven Lasersintern, die Laserenergie ist jedoch höher und kann das Metallpulver vollständig schmelzen, um ein schnelles Prototyping von Metallteilen zu erreichen. Bei dieser Technologie werden häufig Metallpulver (wie Titanlegierungen, Edelstahl usw.) als Rohstoffe verwendet, und es können hochfeste, hochpräzise Metallteile gedruckt werden. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und anderen Bereichen eingesetzt.

Beim 3D-Tintenstrahldruck werden pulverförmige Materialien (Metall oder Nichtmetall) und Klebstoffe als Rohmaterialien verwendet und mithilfe des Verbindungsmechanismus werden die einzelnen Komponenten Schicht für Schicht gedruckt. Die mit dieser Drucktechnologie erstellten Muster weisen dieselbe Farbe auf wie das tatsächliche Produkt. Es handelt sich derzeit um eine relativ ausgereifte Farb-3D-Drucktechnologie.

Bei der Herstellung laminierter Objekte werden dünne Plattenmaterialien (wie Papier, Kunststofffolie usw.) und Schmelzklebstoffe als Rohstoffe verwendet und das gewünschte Objekt durch Laserschneiden und thermisches Verbinden Schicht für Schicht aufgebaut. Diese Technologie zeichnet sich durch eine hohe Formgeschwindigkeit und geringe Materialkosten aus und eignet sich für die Herstellung großer Strukturen und Schalen.

Obwohl die 3D-Drucktechnologie relativ ausgereift ist und der Produktwiederherstellungsgrad hoch ist, sind 3D-gedruckte Produkte aufgrund der Beschränkungen der Druckrohmaterialien sehr spröde und können durch äußere Kräfte leicht zerbrechen. Bei der Verwendung in Szenarien mit hohen Anforderungen an die mechanische Leistung scheint dieser Produkttyp eher „ungeeignet“ zu sein. Wie können wir also die Zerbrechlichkeit von 3D-gedruckten Produkten verbessern , sodass sie sowohl ein ansprechendes Erscheinungsbild als auch Flexibilität aufweisen?

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 Neunfache ihrer eigenen Länge gedehnt werden und ihre maximale Zugfestigkeit kann 94,6 MPa erreichen. Dies entspricht der Fähigkeit eines Quadratmillimeters, einer Schwerkraft von fast 10 Kilogramm standzuhalten, und weist somit eine extrem hohe Festigkeit und Zähigkeit auf.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Magazin)

Was macht dieses Gummiband so besonders?

Um die Produktionseffizienz beim lichthärtenden 3D-Druck zu verbessern, ist häufig eine schnellere Formgeschwindigkeit erforderlich, was zu einer Erhöhung der Vernetzungsdichte des Materials und einer Verringerung der Zähigkeit des Materials während des Aushärtungsprozesses führt. Herkömmliche Methoden zur Erhöhung der Materialzähigkeit erhöhen die Viskosität des Materials, verringern die Fließfähigkeit und führen zu einer Verringerung der Formgeschwindigkeit. Der Widerspruch zwischen der Formgeschwindigkeit des 3D-Drucks und der Robustheit des fertigen Produkts bereitet der gesamten Branche schon seit langem Probleme.

Diese beiden Widersprüche wurden jedoch von chinesischen Wissenschaftlern „vereinbart“. Durch die Analyse des Rohmaterials des lichtempfindlichen Harzes für den lichthärtenden 3D-Druck und die Zerlegung des Druckprozesses schlugen die Forscher eine Strategie vor, bei der Druck und Nachbearbeitung schrittweise durchgeführt werden. Die Forscher entwickelten einen Dimethylacrylat-DLP-Vorläufer (Digital Light Processing), der eine dynamisch gehinderte Harnstoffbindung und zwei Carboxylgruppen an der Hauptkette enthält. Während der Druck- und Formphase befinden sich diese Schlüsselkomponenten in einem „Ruhezustand“ und spielen in der Verarbeitungsphase nach der Formung eine härtende Rolle.

A. 3D-gedruckte Objekte und ihre Dimensionsänderungen während der Nachbearbeitung; B. Durchstoßfestigkeit von 3D-gedruckten Ballons; C. Modellierung der mechanischen Durchstoßkraft; e. 3D-gedruckter pneumatischer Greifer im Gewichthebetest

(Bildquelle: Referenz 1)

Während der Nachbearbeitung bei 90 °C dissoziieren die gehinderten Harnstoffbindungen im 3D-Druckprodukt und bilden Isocyanatgruppen, die einerseits Amidbindungen mit den Carboxylgruppen der Seitenketten bilden und andererseits mit von der Carbonsäure adsorbiertem Wasser zu Harnstoffbindungen reagieren. Die chemischen Bindungsänderungen innerhalb der Moleküle verbinden die einzelnen Netzwerkstrukturen im Material zu einer sich gegenseitig durchdringenden Netzwerkstruktur, ähnlich wie „Hand in Hand“, und sorgen für mehr Wasserstoffbrücken, wodurch die innere Struktur des Materials gestärkt wird. Gerade aufgrund der Veränderungen in der inneren Struktur des Materials verfügt das 3D-gedruckte Produkt über einen größeren Pufferraum, wenn es durch äußere Krafteinwirkung verformt wird, was dem Energieabsorptionseffekt bei einem Fahrzeugaufprall ähnelt. Es verbessert die Schlag- und Bruchfestigkeit des Produkts und weist eine höhere Zähigkeit auf.

Versuchsergebnisse zeigen, dass die nur 0,8 mm dicke Folie, die im 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines DLP-Vorläufers hergestellt wurde, eine extrem hohe Durchstoßfestigkeit aufweist und einer Kraft von 74,4 N standhalten kann, ohne zu brechen. Selbst unter Hochdruck-Aufblasbedingungen konnte der 3D-gedruckte pneumatische Greifer eine 70 Gramm schwere Kupferkugel mit scharfen Dornen auf der Oberfläche greifen, ohne zu zerbrechen. Demonstrierte die ultrahohe Zähigkeit und strukturelle Festigkeit von 3D-gedruckten Produkten.

Welche Anwendungen gibt es für 3D-gedruckte Elastomere?

Im Bereich der Sportausrüstung bieten 3D-gedruckte Elastomere den Sportlern eine individuellere und leistungsstärkere Ausrüstung. Beispielsweise nutzen individuell angepasste Einlegesohlen und Schutzausrüstung die stoßdämpfenden und stützenden Eigenschaften von Elastomeren, um die Leistung von Sportlern zu optimieren und das Tragegefühl zu verbessern. Insbesondere bei Extremsportarten und Sportarten mit hoher Belastung können 3D-gedruckte Elastomermaterialien die Belastung der Sportler während des Trainings deutlich reduzieren und ihre Gelenke und Muskeln vor Verletzungen schützen.

3D-gedruckte Einlegesohlen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

In der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden 3D-gedruckte Elastomere in Schlüsselkomponenten wie leichten Stoßdämpfern und Dichtungen verwendet. Diese Komponenten wurden mit komplexen Strukturen entwickelt, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten.

Autoteile

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Im Bereich der elektronischen Produkte können intelligente Lautsprecher, intelligente Armbänder, Handyhüllen und andere Produkte mit elastomeren Materialien bedruckt werden. Diese Produkte verfügen nicht nur über eine hervorragende Weichheit und Elastizität, sondern auch über eine hohe Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit und können die vielfältigen Anforderungen der Verbraucher an das Aussehen und die Leistung der Produkte erfüllen.

Smartes Armband

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Im Bereich der industriellen Fertigung wird die 3D-Druck-Elastomertechnologie zur Herstellung verschiedener Industrieformen, Antriebsriemen und anderer Teile eingesetzt. Diese Komponenten müssen großen mechanischen Belastungen und Vibrationen standhalten. Aufgrund ihrer hervorragenden Elastizität und Ermüdungsbeständigkeit sind Elastomermaterialien hierfür die ideale Wahl. Die Herstellung dieser Teile mittels 3D-Drucktechnologie verbessert nicht nur die Produktionseffizienz, sondern senkt auch die Herstellungskosten.

Fließband

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abschluss

Die 3D-Drucktechnologie nimmt in unserem Leben eine immer wichtigere Stellung ein und das Aufkommen der 3D-Druck-Elastomertechnologie hat die Einsatzszenarien von 3D-Druckprodukten weiter bereichert. Der Fortschritt in Wissenschaft und Technologie hat dem Leben unbegrenzte Möglichkeiten eröffnet. Wir freuen uns auch auf weitere technologische Entwicklungen und Innovationen, die unser Leben bunter machen.

Quellen:

1.Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D-druckbare Elastomere mit außergewöhnlicher Festigkeit und Zähigkeit[J]. Natur, 2024.

2.Walker, DA, Hedrick, JL & Mirkin, CA Schneller, großvolumiger, thermisch kontrollierter 3D-Druck unter Verwendung einer mobilen Flüssigkeitsschnittstelle[J]. Wissenschaft, 2019.

3. Zhang Xuejun, Tang Siyi, Zhao Hengyue et al. Forschungsstand und Schlüsseltechnologien der 3D-Drucktechnologie[J]. Werkstofftechnik, 2016.

4. Huang Jian, Jiang Shan. Wird die 3D-Drucktechnologie die „dritte industrielle Revolution“ einläuten? [J]. Neue Werkstoffindustrie, 2013.