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Neue Technologie für den 3D-Druck komplexer Objekte auf Zellulosebasis

05.04.2020

Eine Gruppe von ETH-Forschern hat einen Weg gefunden, Zellulose mittels 3D-Druck zu verarbeiten, um Objekte von nahezu unbegrenzter Komplexität herzustellen, die große Mengen Zellulose enthalten.

Die neue Technologie kombiniert Direct Ink Printing (DIW) mit einem Materialverdichtungsprozess, der den Zellulosegehalt des Druckobjekts um bis zu 27 % erhöht.

Die Wissenschaftler druckten das Objekt zunächst mit „Wassertinte“. Die Zusammensetzung der Tinte besteht nur aus Wasser, in das mehrere hundert Nanometer große Zellulose- und Faserpartikel gemischt wurden. Der Zellulosegehalt beträgt 14 bis XNUMX % des gesamten Tintenvolumens.

Anschließend legten die Wissenschaftler das gedruckte Objekt in ein Bad aus organischen Lösungsmitteln. Da Zellulose keine organischen Lösungsmittel mag, neigen ihre Partikel dazu, aneinander zu kleben. So werden die Zellulosepartikel verdichtet und im Objekt abgelagert.

Im nächsten Schritt tauchten die Forscher die Objekte in eine Lösung, die einen lichtempfindlichen Kunststoffvorläufer (den sogenannten „Precursor“ von Kunststoff, dem Stoff, aus dem Kunststoff hergestellt wird) enthielt. Beim Abdampfen des Lösungsmittels dringen die Kunststoffvorläufer in das Gerüst des auf Zellulose basierenden Gegenstandes ein. Dann wurde ultraviolettes Licht auf das gedruckte Objekt gerichtet, damit die Vorstufen zu hartem Kunststoff wurden. Dadurch konnte ein Verbundmaterial mit einem Zellulosegehalt von über 27 % erhalten werden, dh der Gehalt an Zellulosepartikeln stieg von 6–14 % auf 27 %.

Je nach Art des verwendeten Kunststoffvorläufers können sie die mechanischen Eigenschaften der Druckobjekte steuern, etwa Elastizität oder Festigkeit. Auf diese Weise können Sie harte oder weiche Teile erstellen.

Mit dieser Methode konnten die Forscher verschiedene zusammengesetzte Objekte herstellen, darunter auch sehr zerbrechliche: zum Beispiel eine nur einen Millimeter dicke "Skulptur" einer Flamme. Die Technologie hat einen Nachteil: Das Verdichten von Druckteilen mit einer Wandstärke von mehr als fünf Millimetern führt zu einer Verzerrung der Struktur, da die Oberfläche des zu verdichtenden Objekts schneller komprimiert wird als sein Kern.

Aus dem neuen Material lassen sich in Zukunft zum Beispiel Verpackungen und sogar Knorpelimplantate herstellen. Diese Technologie könnte auch für die Automobilindustrie interessant sein. Japanische Autohersteller haben bereits einen Sportwagen-Prototyp entwickelt, dessen Karosserieteile fast ausschließlich aus Materialien auf Zellulosebasis bestehen.

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