3D-Druck mit Schallwellen

Direct Sound Printing

Forschung
Publikationen und Studien
Additive Manufacturing
Die in der additiven Fertigung eingesetzten Verfahren beruhen entweder auf photo- oder thermoaktivierten Reaktionen, um eine präzise Manipulation von Polymeren zu erreichen. Forschern an der Concordia University, Montreal, ist die Entwicklung einer neuen Technologie namens Direct Sound Printing (DSP) gelungen, bei der Schallwellen zur Herstellung neuer Objekte verwendet werden.

In ihrem in Nature Communications veröffentlichten Artikel beschreiben sie, wie sich mit Ultraschallwellen sonochemische Reaktionen in winzigen Kavitationsbereichen erzeugen lassen. Durch extreme Temperatur- und Druckschwankungen, die Billionstel Sekunden dauern, können vorgefertigte komplexe Formen erzeugt werden, die mit bestehenden Techniken nicht möglich sind.

"Ultraschallfrequenzen werden bereits bei zerstörerischen Verfahren wie der Laserablation von Gewebe und Tumoren eingesetzt. Wir wollten sie nutzen, um etwas zu erschaffen", sagt Muthukumaran Packirisamy, Professor an der Abteilung für Maschinenbau, Industrie- und Luft- und Raumfahrttechnik sowie Co-Autor der Studie.

Wie die Forscher erklären, beruht das DSP auf chemischen Reaktionen, die durch schwankenden Druck in winzigen, in einer flüssigen Polymerlösung suspendierten Bläschen ausgelöst werden.

Mohsen Habibi, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Concordia Optical-Bio Microsystems Lab und Hauptautor der Studie, erläutert: "Im Grunde können die Blasen als Reaktoren verwendet werden, um chemische Reaktionen anzuregen, die flüssiges Harz in feste oder halbfeste Stoffe umwandeln."

Die in den mikroskopisch kleinen Blasen durch die Oszillation ausgelösten Reaktionen sind intensiv, dauern aber nur Pikosekunden. Die Temperatur im Inneren des Hohlraums schießt auf etwa 15.000 Kelvin hoch, der Druck übersteigt 1.000 bar. Aufgrund der kurzen Reaktionszeit wird das umgebende Material jedoch nicht beeinträchtigt. Die Forscher experimentierten mit einem in der additiven Fertigung verwendeten Polymer namens Polydimethylsiloxan (PDMS). 

Die Autoren sind der Meinung, dass die Vielseitigkeit von DSP den Branchen zugute kommen wird, die auf hochspezifische und empfindliche Geräte angewiesen sind, beispielsweise medizinische Geräte und Biosensoren. Auch in der Luft- und Raumfahrttechnik und bei Reparaturen kann DSP eingesetzt werden, da Ultraschallwellen undurchsichtige Oberflächen wie Metallschalen durchdringen. So kann das Wartungspersonal Teile warten, die sich tief im Flugzeugrumpf befinden und für Drucktechniken, die auf photoaktivierten Reaktionen beruhen, unzugänglich sind. DSP könnte sogar in der Medizin für das ferngesteuerte Drucken im Körper von Menschen angewendet werden.

"Wir haben bewiesen, dass wir verschiedene Materialien drucken können, darunter Polymere und Keramiken", sagt Packirisamy. "Als Nächstes werden wir Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe ausprobieren, und schließlich wollen wir mit dieser Methode auch Metall drucken."

www.concordia.ca

Zum vollständigen Artikel:

www.nature.com/articles/s41467-022-29395-1

Mohsen Habibi et al., Direct sound printing, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29395-1