Neue 3D-Druckmethode der EPFL lässt Metalle im Gel «wachsen»

EPFL-Forscher haben eine neue 3D-Druckmethode entwickelt, bei der Metalle und Keramiken in einem wasserbasierten Gel «wachsen». Die Strukturen sind besonders robust und dicht, und könnten etwa in der Energietechnik Anwendung finden.

Quelle: ALCHEMY EPFL CC BY SA

EPFL-Forscher haben eine neue 3D-Druckmethode entwickelt, bei der Metalle und Keramiken in einem wasserbasierten Gel «wachsen». Bild: Querschnitt durch ein kupferinfundiertes Hydrogel.

Bei der sogenannten «Vat Photopolymerisation» handelt es sich um eine 3D-Drucktechnik, bei der ein lichtempfindliches Harz in einen Bottich gegossen und dann mit einem Laser oder UV-Licht selektiv in die gewünschte Form gehärtet wird. Dessen Anwendungsmöglichkeiten seien jedoch beschränkt, da das Verfahren meist nur für lichtempfindliche Polymere verwendet werde, schreibt die EPFL in einer Mitteilung.

Zwar wurden gemäss der Hochschule inzwischen einige 3D-Druckverfahren entwickelt, um diese gedruckten Polymere in härtere Metalle und Keramiken umzuwandeln. Laut Daryl Yee, Leiter des Labors für Chemie der Werkstoffe und Fertigung an der EPFL School of Engineering, haben diese Materialien jedoch strukturelle Nachteile: «Sie neigen dazu, porös zu sein, was ihre Festigkeit deutlich verringert, und die Teile schrumpfen zu stark, was zu Verformungen führt.»

Materialien mit hoher Dichte und Festigkeit

In einer in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» veröffentlichen Studie beschreiben der Forscher und sein Team nun eine Lösung für dieses Problem. Anstatt demnach ein mit Metallvorläufern versetztes Harz mit Hilfe von Licht zu härten – wie dies bei früheren Methoden der Fall war – stellt das EPFL-Team zunächst ein 3D-Gerüst aus einem einfachen Gel auf Wasserbasis, einem sogenannten Hydrogel, her.

Quelle: ALCHEMY EPFL CC BY SA

Für die Studie stellte das Team komplizierte mathematische Gitterformen – sogenannte Gyroide – aus Eisen, Silber und Kupfer her. Im Bild: Ein grosses Eisen-Gyroid.

Dieses «leere» Hydrogel wird anschliessend mit Metallsalzen infundiert, bevor es chemisch in metallhaltige Nanopartikel umgewandelt wird, die die Struktur durchdringen. Dieser Prozess lässt mehrmals wiederholen, um Verbundstoffe mit sehr hohen Metallkonzentrationen zu erhalten. Nach fünf bis zehn solcher «Wachstumszyklen» wird in einer finalen Erhitzung das restliche Hydrogel weggebrannt.

Zurück bleibt in der Folge ein Metall- oder Keramikobjekt in der Form des ursprünglichen Polymerrohlings, das laut den Forschern eine beispiellose Dichte und Festigkeit aufweist. Da die Hydrogele erst nach der Herstellung mit den Metallsalzen infundiert werden, ermöglicht das Verfahren gemäss Mitteilung die Umwandlung eines einzigen Hydrogels in mehrere verschiedene Verbundwerkstoffe, Keramiken oder Metalle.

Materialauswahl nach 3D-Druck

«Unsere Arbeit ermöglicht nicht nur die Herstellung von hochwertigen Metallen und Keramiken mit einem zugänglichen, kostengünstigen 3D-Druckverfahren, sondern zeigt auch ein neues Paradigma in der additiven Fertigung auf, bei dem die Materialauswahl nach dem 3D-Druck und nicht vorher erfolgt», fasst Yee zusammen.

Für die Studie stellte das Team komplizierte mathematische Gitterformen – sogenannte Gyroide – aus Eisen, Silber und Kupfer her und demonstrierte damit die Fähigkeit ihrer neuen 3D-Druckmethode, starke und dennoch komplexe Strukturen zu erzeugen.

Um die Festigkeit zu testen, nutzten sie eine Universalprüfmaschine, um zunehmend Druck auf die Strukturen auszuüben. «Unsere Materialien halten 20-mal mehr Druck aus als die mit früheren Methoden hergestellten und schrumpfen dabei nur um 20 Prozent gegenüber 60 bis 90 Prozent», so Doktorandin und Erstautorin Yiming Ji.

Quelle: ALCHEMY EPFL CC BY SA

Gemäss den Forschern ist ihre Technik besonders interessant für die Herstellung fortschrittlicher 3D-Architekturen, die stark, leicht und komplex sein müssen. Im Bild: Ein kleiner Silber-Gyroid.

Fortschrittliche 3D-Architekturen

Gemäss den Forschern ist ihre Technik besonders interessant für die Herstellung fortschrittlicher 3D-Architekturen, die stark, leicht und komplex sein müssen. Etwa für Sensoren oder Geräte in der Biomedizin oder zur Energieumwandlung- und -speicherung. Andere Anwendungen könnten Metalle mit grosser Oberfläche und fortschrittlichen Kühleigenschaften für Energietechnologien sein.

Für die Zukunft will das Team das Verfahren weiter verbessern, um es industrietauglich zu machen. Dies etwa durch eine weitere Erhöhung der Materialdichte und eine Verkürzung des im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren höheren Zeitaufwands. «Wir arbeiten bereits daran, die Gesamtbearbeitungszeit durch den Einsatz eines Roboters zur Automatisierung dieser Schritte zu verkürzen», sagt Yee. (mgt/pb)

Zur Mitteilung der EPFL: actu.epfl.ch