Innovatives Flüssig-Fest-Co-Printing: Voll funktionsfähige 3D-Systeme mit neuer Methode der University of Colorado

Interview mit Professor Robert MacCurdy

Professor Robert MacCurdy und sein Team an der University of Colorado Boulder haben eine Methode entwickelt und charakterisiert, um 3D-Strukturen mit simultaner Nutzung verschiedener Materialien – einschließlich Flüssigkeiten und Feststoffen – zu drucken, um komplette funktionale Systeme zu produzieren, nicht nur einzelne Komponenten.

Tech Briefs: Was hat Sie zu diesem Projekt gebracht?

Professor Robert MacCurdy: Mein Hintergrund ist Robotik, und ich war zu Beginn meiner PhD-Arbeit sehr begeistert, wenn ich darüber nachdachte, wie wir Design und Fertigung von Robotern automatisieren könnten – das ist immer noch die zentrale Motivation meiner Arbeit.

Mein Ziel ist es, Werkzeuge zu entwickeln, die es menschlichen Designern erlauben, sehr schnell auf neue Bedürfnisse zu reagieren und sehr schnell Roboter für diese Bedürfnisse zu designen und dann zu fertigen.

Tech Briefs: Können Sie uns mehr über den Prozess erzählen?

MacCurdy: Typischerweise werden alle Inkjet-Tinten als Flüssigkeit deponiert und dann Hitze oder Licht ausgesetzt, woraufhin sie in einen Feststoff übergehen. Wenn wir aber auch Materialien einschließen, die permanent flüssig bleiben, können wir die Flüssigkeit als Support-Material nutzen.

Wir haben drei Szenarien, basierend auf den zwei Materialien, die wir betrachten. Wenn eines der Materialien auftriebskräftiger ist als das andere, trennen sie sich wie Wasser und Öl. Wenn es Oberflächenspannungsdifferenzen zwischen den beiden Materialien gibt, wird der obere Tropfen, der sonst durch den unteren fallen würde, durch seine Oberflächenspannung an der Grenzfläche gehalten.

Und schließlich: Selbst wenn die Dichte falsch ist und die Oberflächenspannung falsch ist, wenn man es schnell genug photopolymerisieren kann, sodass es von Flüssigkeit zu Feststoff übergeht, während es noch an der Oberfläche ist und benachbarte Tropfen auch photopolymerisieren, dann könnte man potenziell physische Strukturen erstellen, die an Ort und Stelle verriegelt sind und nicht weiter durch die Flüssigkeit absinken.

Das erlaubt uns, Strukturen zu drucken – zum Beispiel Spiralen –, die mit existierenden Support-Materialien unmöglich zu reinigen wären. Die Inkjet-Methode erfordert Support-Material, aber schließlich muss man es entfernen.

Existierende Support-Materialien sind jedoch recht schwierig aus Kanälen der Art komplizierter Spiral- und Kapillarstrukturen zu entfernen, die wir in unserem Labor erstellt haben. In unserer Methode, weil das Support-Material so niedrig in Viskosität ist, fließt es leicht aus allen Kanälen mit etwas Fluidströmung heraus.

Wir drucken den Feststoff und die Flüssigkeit gleichzeitig. Also ist alles bereit, sobald man das Support-Material abwäscht.

Tech Briefs: Ist das, woran Sie arbeiten, sozusagen die grundlegenden Nüsse und Bolzen, die in Zukunft zum Bauen verwendet werden könnten?

MacCurdy: Genau – wir wollen dem Maler mehr Farben auf die Palette geben. Und Flüssigkeit ist eine wichtige, weil sie Vorteile vermittelt, die bloß eine andere Farbe eines Feststoffs nicht unbedingt helfen würde.

Wir werden mit dem Robotik-Thema fortfahren, aber die verschiedenen Arten von Strukturen erkunden und erweitern, die wir machen können.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der Juni-2022-Ausgabe von Tech Briefs.