Neue Fortschritte im additiven Fertigungsbereich an Hochschulen in Deutschland, den USA und Indien: 3D-gedruckter MRI-Sensor kostet 30 US-Dollar

de.wedoany.com-Bericht: Das Institut für Molekulare Systemtechnik und Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg hat ein geschlossenes Recyclingmaterial für Digital Light Processing (DLP) und Stereolithografie (SLA) entwickelt, das es ermöglicht, lichtbasierte 3D-Druckharze mithilfe spezieller chemischer Katalysatoren bei Raumtemperatur innerhalb von Sekunden in molekulare Bausteine zu zerlegen und wiederzuverwenden. Im Vergleich zu anderen Polymerverfahren wie dem Fused Deposition Modeling (FFF) bietet der lichtbasierte 3D-Druck Vorteile bei der Auflösung und in einigen Anwendungsfällen bei der Geschwindigkeit, doch seine Harze werden aufgrund ihrer schwierigen Recyclingfähigkeit in Bezug auf Nachhaltigkeit kritisiert. Die vom Institut entwickelten metastabilen Polymere besitzen vorbestimmte Sollbruchstellen, sodass die langen Ketten unter Einwirkung spezieller chemischer Katalysatoren bei Raumtemperatur innerhalb von Sekunden vollständig zerfallen. Der Doktorand Johannes Markhart erklärte in einer Pressemitteilung, dass dieser Prozess einem Dominostein-Effekt gleiche. In Experimenten stellte das Team mit diesem Material komplexe Mikrometerstrukturen her und zerlegte sie anschließend wieder in Polymerharz; spektroskopische Analysen bestätigten, dass die recycelten Produkte auf molekularer Ebene in ihrer chemischen Zusammensetzung mit dem Ausgangsmaterial übereinstimmten. Die Projektleiterin Professorin Eva Blasco betonte, dass Stabilität und Recyclingfähigkeit sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Ein weiterer Fortschritt im nachhaltigen 3D-Druck stammt von Forschenden des Indian Institute of Engineering and Rural Technology (IERT) und des Motilal Nehru National Institute of Technology Allahabad (MNNIT). Sie entwickelten ein Filament-Extrusionssystem, das Abfall-PET aus Plastikflaschen in für FFF geeignetes Filament umwandelt. Das Forschungsteam sortierte, reinigte, trocknete und zerkleinerte die Abfallflaschen, verarbeitete sie zu Filament und extrudierte im selben System Vergleichsproben aus PLA-Pellets. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugfestigkeit von PLA etwa 11 % höher war als die von PET (44 ± 3,6 MPa gegenüber 39 ± 3,2 MPa). Obwohl recyceltes PET unter den typischen Eigenschaften von Neuware-PET liegt, sehen die Forschenden darin weiterhin einen Wert für Anwendungen wie Haushaltsgegenstände und Modeartikel. Die Studie betont zudem, dass die Herausforderungen beim PET-Recycling zu Filament vor allem in der Feuchtigkeitskontrolle und der Maßhaltigkeit liegen. Das Team räumt ein, dass vor einer vollständigen Substitution von Standardfilamenten durch recyceltes PET-Filament weitere Optimierungen und Materialcharakterisierungen erforderlich sind, ist jedoch der Ansicht, dass es eine praktikable Grundlage für die Herstellung recycelter Polymerrohstoffe in der additiven Fertigung demonstriert hat. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Manufacturing veröffentlicht.

Für Erwachsene konzipierte medizinische Fertiggeräte funktionieren bei Säuglingen oder Kindern nicht immer optimal, was Forschende der University of Southern California (USC) dazu veranlasste, einen flexiblen MRI-Sensor zu entwickeln, der individuell auf einzelne Patienten zugeschnitten werden kann. Jeder Sensor kann in weniger als 10 Minuten im 3D-Druckverfahren hergestellt werden und kostet etwa 30 US-Dollar; in Tests verbesserte sich der Bildkontrast im Vergleich zu handelsüblichen Sensoren um das Vierfache. Yasser Khan, Assistenzprofessor in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik sowie der Abteilung für Biomedizintechnik, erklärte, dass durch die schnellere und kostengünstigere Herstellung kundenspezifischer MRI-Geräte eine bessere Bildgebung für Patientengruppen mit bisher geringerer Auswahl – insbesondere Säuglinge und Kinder – ermöglicht werde und der MRT ein bisher nicht vorhandenes Maß an Präzision und Individualisierung verliehen werde. Im Verfahren wird leitfähige Silbertinte auf ein thermoplastisches Elastomer gedruckt, das sich an den Körper des Patienten anpasst; der resultierende Sensor (auch als Spule bezeichnet) wird anschließend an das MRI-System angeschlossen. Die Sensoren wurden in Khans Labor entworfen und gefertigt und am Dynamic Imaging Science Center (DISC), das über ein einzigartiges MRI-System verfügt, getestet. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Ingenieure der University of Utah in den USA haben eine 3D-Druckmethode vorgestellt, die den schichtweisen Aufbau umgeht: Mithilfe nanoskaliger Photomasken wird Laserlicht zu holografischen Mustern gebeugt, die das Ausgangsmaterial in einem einzigen Schritt aushärten. Mit dieser Technik druckte das Team Mikroröhrchen-Komponenten mit Einzeldurchmessern von bis zu 6 Mikrometern und einem Aspektverhältnis von bis zu 120:1. Die Druckteile können entlang der Länge und Breite Hohlräume aufweisen; die Erzeugung von Hohlräumen entlang der Höhenrichtung erfordert jedoch weitere Verbesserungen. Zu diesem Zweck nutzten die Forschenden die unterschiedlichen Zeitskalen zwischen Belichtung und Aushärtungsprozess und entwarfen die Photomasken mithilfe computergestützter Methoden so, dass geplante Hohlbereiche ausreichend dunkel blieben und so eine molekulare Vernetzung vermieden wurde. Die so entstandenen Formen wie Hohlzylinder und -würfel dienen als Machbarkeitsnachweis für größere Druckteile; die Druckvorgänge wurden in Sekundenschnelle abgeschlossen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.