Wissenschaftler der EPFL haben eine Methode für den 3D-Druck entwickelt, bei der Metalle und Keramiken in einem Gel auf Wasserbasis wachsen. Das Ergebnis sind sehr dichte, aber auch extrem komplexe Strukturen.
Die Photopolymerisation im Tank ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein lichtempfindliches Harz in einen Tank gegossen und dann mithilfe eines Lasers oder ultravioletten Lichts selektiv ausgehärtet wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Meistens wird dieses Verfahren jedoch nur mit lichtempfindlichen Polymeren verwendet, was seine Bandbreite an nützlichen Anwendungen einschränkt.
Einige 3D-Druckverfahren wurden entwickelt, um diese gedruckten Polymere in widerstandsfähigere Metalle und Keramiken umzuwandeln. Laut Daryl Yee, Leiter des Labors für Material- und Fertigungschemie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL, leiden die mit diesen Techniken hergestellten Materialien jedoch unter schwerwiegenden strukturellen Rückschlägen. "Sie neigen dazu, porös zu sein, was ihre Festigkeit erheblich verringert, und die Teile schrumpfen übermässig, was zu einer Verformung führt", sagt er.
Zusammen mit seinem Team hat der Professor gerade einen Artikel in Advanced Materials veröffentlicht, der eine einzigartige Lösung für dieses Problem beschreibt. Anstatt ein mit Metallvorläufern vorinfundiertes Harz mit Licht zu härten, wie es frühere Methoden taten, erzeugt das EPFL-Team zunächst eine 3D-Struktur aus einem einfachen Gel auf Wasserbasis, das Hydrogel genannt wird. Dann infundiert es dieses "jungfräuliche" Hydrogel mit Metallsalzen, bevor es diese chemisch in metallische Nanopartikel umwandelt, die die Struktur imprägnieren. Dieser Prozess kann dann wiederholt werden, um Verbundstoffe mit einer sehr hohen Metallkonzentration zu erhalten.
Nach 5 bis 10 "Wachstumszyklen" wird das verbleibende Hydrogel in einem letzten Erhitzungsschritt verbrannt, wodurch das Endprodukt sichtbar wird: ein Metall- oder Keramikobjekt, das die Form des ursprünglichen Rohpolymers hat und eine beispiellose Dichte und Festigkeit aufweist. Da die Hydrogele erst nach der Herstellung mit den Metallsalzen infundiert werden, kann man mit dieser Technik ein einziges Hydrogel in mehrere verschiedene Verbundstoffe, Keramiken oder Metalle umwandeln.
"Unsere Arbeit ermöglicht nicht nur die Herstellung hochwertiger Metalle und Keramiken mithilfe eines zugänglichen und kostengünstigen 3D-Druckverfahrens, sondern beleuchtet auch ein neues Paradigma in der additiven Fertigung, bei dem die Materialauswahl nach dem 3D-Druck statt vor dem Druck erfolgt", fasst Daryl Yee zusammen.
Auf fortschrittliche 3D-Architekturen abzielen
Für ihre Studie stellte das Team komplexe mathematische Formen namens Gyroiden aus Eisen, Silber und Kupfer her und demonstrierte damit die Fähigkeit ihrer Technik, starke, aber komplexe Strukturen zu erzeugen. Um die Festigkeit ihrer Materialien zu testen, benutzte sie ein Gerät namens Universalprüfmaschine, um zunehmenden Druck auf die Gyroiden auszuüben.
"Unsere Materialien konnten einem 20-mal höheren Druck standhalten als die mit früheren Methoden hergestellten und wiesen gleichzeitig eine Schrumpfung von nur 20% gegenüber 60-90% auf", sagt Yiming Ji, Doktorandin und Erstautorin.
Unsere Arbeit beleuchtet ein neues Paradigma in der additiven Fertigung, bei dem die Materialauswahl nach dem 3D-Druck statt vor dem Druck stattfindet
Daryl Yee, Leiter des Labors für Material- und Fertigungschemie
Die Technik ist besonders interessant für die Herstellung fortschrittlicher 3D-Architekturen, die gleichzeitig stabil, leicht und komplex sein müssen, wie z. B. Sensoren, biomedizinische Geräte oder Geräte zur Energieumwandlung und -speicherung. Beispielsweise sind Metallkatalysatoren unerlässlich, um Reaktionen zu ermöglichen, die chemische Energie in Elektrizität umwandeln. Weitere Anwendungen könnten Metalle mit hoher Oberfläche mit fortschrittlichen Kühleigenschaften für Energietechnologien sein.
Das Team wird nun daran arbeiten, seinen Prozess zu verbessern, um die Übernahme durch die Industrie zu erleichtern, insbesondere durch eine weitere Erhöhung der Dichte seiner Materialien. Ein weiteres Ziel ist die Geschwindigkeit: Die wiederholten Infusionsschritte sind zwar wichtig, um stärkere Materialien herzustellen, aber das Verfahren ist zeitaufwändiger als andere 3D-Drucktechniken, mit denen Polymere in Metalle umgewandelt werden können. "Wir arbeiten bereits daran, die Gesamtverarbeitungszeit zu verkürzen, indem wir einen Roboter einsetzen, um diese Schritte zu automatisieren", sagt Daryl Yee.
ReferenzenY. Ji, Y. Hong, D. R. Bhandari und D. W. Yee, "Hydrogel-Based Vat Photopolymerization of Ceramics and Metals with Low Shrinkages via Repeated Infusion Precipitation". Adv. Mater. (2025): e04951. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
Kleiner Silberkreisel (die Markierungen sind 1 mm voneinander entfernt). ALCHEMY EPFL CC BY SA
