Neue 3D-Druckmethode macht Metalle 20-mal fester

Mit einer an der ETH Lausanne entwickelten Methode lassen sich Metallobjekte mit bisher unerreichter Dichte und Festigkeit aus 3D-gedruckten Hydrogelen erzeugen.

Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, um 3D-gedruckte Strukturen aus Metallen und Keramiken herzustellen, die deutlich dichter und stabiler sind als bisherige additiv gefertigte Werkstoffe. Das Verfahren basiert auf einer Kombination aus Hydrogel-Vorlagen und chemischer Umwandlung. Konkret werden bei der sogenannten "Vat Photopolymerization" lichtempfindliche Harze mit Laser oder UV-Licht schichtweise ausgehärtet. 

Bisher war diese Methode auf Polymere beschränkt. Frühere Versuche, daraus Metall- oder Keramikteile zu erzeugen, führten oft zu porösen und verzogenen Strukturen. Das Team um Daryl Yee, Leiter des Labors für Material- und Fertigungschemie an der ETH Lausanne, umgeht diese Schwäche, indem es zunächst ein Hydrogel-Gerüst druckt. Erst nach der Fertigung wird dieses mit Metallsalzen durchtränkt und chemisch zu Nanopartikeln umgewandelt, die das gesamte Gerüst durchdringen.

20-fach höhere Festigkeit

Nach mehreren Durchläufen entstehe ein dichter Verbund, heißt es in einer Mitteilung der Hochschule, der in einem letzten Schritt erhitzt werde – das Gel verbrenne, die Metallstruktur bleibe zurück. Laut Erstautor Yiming Ji sind die so hergestellten Gyroid-Strukturen aus Eisen, Silber oder Kupfer 20-mal druckfester als bisherige vergleichbare Materialien und schrumpfen beim Sintern nur um etwa 20 statt bis zu 90 %.

Das Verfahren soll sich insbesondere für Bauteile eignen, die zugleich leicht, stabil und komplex geformt sein müssen – etwa in Sensoren, Katalysatoren oder Energiesystemen. Ziel sei es nun, die Prozesszeit zu verkürzen und die Materialdichte weiter zu erhöhen. Dafür arbeite man an einer robotergestützten Automatisierung der einzelnen Infusionsschritte.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials vorgestellt.