3D-Druck: Neues Verfahren basiert auf Wasser

Winzige Tropfen ermöglichen laut Carnegie Mellon University Strukturen wie menschliche Haare

3D-ICE setzt auf personalisierte Herstellung (Foto: engineering.cmu.edu)

Pittsburgh (pte002/19.07.2024/06:05)

Forscher der Carnegie Mellon University revolutionieren derzeit das sogenannte "3D Ice Printing" (3D-ICE). Dabei wird ein sogenannter Drop-on-Demand Ansatz für den 3D-Druck dahingehend verändert, dass Wasser die Druckertinte ersetzt. Die piezoelektrische Tintenstrahldüse setzt somit winzige Wassertropfen auf einer Bauplattform frei, die unter dem Gefrierpunkt gehalten wird. Details sind in den "Proceedings of the National Academy of Sciences" nachzulesen.

Kontrollierbarer Vorgang

Einzigartig ist daran, dass sich dieser Vorgang kontrollieren lässt. So kann einer oder mehrere winzige Tropfen freigesetzt werden, bevor der vorige Tropfen gefroren ist. Damit verbleibt eine Wasserkappe oben auf der gedruckten Struktur. Das Einfrieren beginnt in der Folge von unten nach oben. Damit wird die Herstellung von Strukturen mit glatten Wänden, Übergängen und Ästen möglich. Features, die so klein sind wie ein menschliches Haar, lassen sich auf diese Weise ebenfalls herstellen.

Den Experten nach lassen sich alle Parameter unter anderem durch die Tropfgeschwindindigkeit beeinflussen. Schließlich werden so auch überhängende Strukturen möglich. Laut Philip LeDuc, einer der beiden leitenden Wissenschaftler, kann 3D Ice auch dafür benutzt werden, genau geformte Kanäle innerhalb von bereits gefertigten Teilen zu gestalten. Diess Verfahren wäre in vielen Bereichen nützlich und einsetzbar. Die Bandbreite von der Herstellung neuen Gewebes bis hin zu weichen Robotern.

Vorhersehbar und reproduzierbar

Seit dem Beginn ihres Projekts haben LeDuc und sein Kollege Burak Ozdoganlar untersucht, wie sich sicherstellen lässt, dass das neue Verfahren vorhersehbar und reproduzierbar ist. Denkbar sind numerische Modelle in 2D und 3D, um die physikalischen Vorgänge hinter 3D Ice begreifbar zu machen. Dazu gehören auch die Wärmeübertragung, die Fluiddynamik und die rasche Phasenänderung bei der Veränderung von flüssig zu fest, wie er beim Druckvorgang vor sich geht.

Derzeit arbeitet das Team an der weiteren Verfeinerung des mathematischen Modells. Zudem geht es den Experten darum, die Effizienz bei einer ganzen Reihe von Anwendungen zu untersuchen. 3D-ICE sollte sogar bald in der Lage sein, personalisiertes Gewebe zu drucken, das der einzigartigen Struktur der Gefäße des jeweiligen Patienten entspricht, heißt es. Zusätzlich wird es auch um die Herstellung von funktionelle Gewebekonstrukten zur Erforschung von Krankheiten oder der Entwicklung neuer Therapien gehen.

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