3D-gedruckte Bauteile heilen jetzt von selbst

Materialwissenschaftler der University of Southern California setzen Fotopolymerisation gezielt ein. [...]

Forscher an der Viterbi-Ingenieurschule der University of Southern California haben per 3D-Druck ein gummiartiges Material hergestellt, das sich bei Verletzungen selbst heilt. Das Bauteil wird Schicht für Schicht produziert. Jedes Mal werden die Stellen, die erhalten bleiben sollen, ausgehärtet. Das geschieht durch Fotopolymerisation. Das verwendete flüssige Ausgangsmaterial verfestigt sich, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird. Zahnärzte etwa härten auf diese Art Plomben aus.

Thiole sowie Disulfide

Bei der Fotopolymerisation findet eine Reaktion zwischen Licht und einer chemischen Gruppe namens Thiole statt. Wird Oxidationsmittel hinzugefügt, verwandeln sich die Thiole in Disulfide. Diese haben die Fähigkeit, selbstheilende Kräfte zu entwickeln. Die Kunst ist es, so viele Thiole zu erhalten, dass der Aushärtungsprozess nicht gefährdet wird und dabei so viele Disulfide zu erzeugen, dass das Material sich selbst repariert, wenn Risse auftreten.

„Wenn wir den Anteil an Disulfiden langsam erhöhen, wird der Selbstheilungsprozess stärker“, sagt Assistenzprofessor Qiming Wang, der sich vor allem mit Materialien befasst, die sich zum 3D-Druck eignen. „Doch dann nimmt die Fotopolymerisationsfähigkeit ab.“ Es gebe eine Art Wettstreit zwischen den beiden Verhaltensweisen. Ziel sei es, das optimale Verhältnis zwischen Selbstheilung und Polymerisation zu finden.

Heilung nach 20 Minuten

Der Druck einer Schuhsole beispielsweise dauert rund 20 Minuten. Tritt ein Riss auf, heilt dieser binnen weniger Stunden. Dazu muss das Material auf 60 Grad Celsius erwärmt werden. Die selbstheilende Technik funktioniert auch bei anderen Bauteilen. Wangs Team hat das bereits unter anderem an sogenannten Soft Robotics erprobt, das sind beispielsweise Greifer aus weichem Kunststoff, die so zart zupacken, dass selbst rohe Eier nicht zerbrechen.

Bisher haben die Forscher mit weichen Materialien gearbeitet. Jetzt gehen sie daran, selbstheilendes Hartplastik herzustellen. Dieses könnte beispielsweise in Karosserien von Autos verwendet werden, denn auch bei Zimmertemperatur und niedrigeren Temperaturen setzt der Selbstheilungsprozess ein. Es dauert nur länger.