3D-Nanotinten verschieben die Grenzen der Industrie
Eine neue, 3D-druckbare Polymer-Nanokomposit-Tinte hat unglaubliche Eigenschaften - und viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Medizin und Elektronik
Forscher der Michigan Technological University haben einen Weg gefunden, eine 3D-druckbare Nanokomposit-Polymer-Tinte herzustellen, die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) verwendet, die für ihre hohe Zugfestigkeit und Leichtigkeit bekannt sind. Diese revolutionäre Tinte könnte Epoxidharze ersetzen - und das Verständnis, warum ihre Eigenschaften so fantastisch sind, ist ein erster Schritt in Richtung Massenanwendung.
3D-gedruckte Nanokomposit-Proben in Hundeknochenform für die Zugprüfung.
Masoud Kasraie/Michigan Tech
Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist vielseitiger und effizienter als das Gießen. Er fügt ein Material mit Präzision hinzu, oft in komplexen Geometrien und mit wesentlich weniger Überschuss, der weggeschnitten werden muss. Durch das Hinzufügen von niedrigdimensionalen Nanomaterialien wie CNTs, Graphen, Metallnanopartikeln und Quantenpunkten können sich 3D-gedruckte Materialien an äußere Reize anpassen und ihnen Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Magnetismus und elektrochemische Speicherung verleihen.
Der 3D-Druck mit Kunststoff, Metall oder etwas ganz anderem ist jedoch nicht neu. Was die Tech-Forscher anders gemacht haben, ist die Verwendung von Polymer-Nanokompositen (aus Epoxid, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nano-Ton) und ein Druckverfahren, das die Funktionalität nicht beeinträchtigt. Die Verbindung von Materialtyp und Morphologie - Größe, Form, Struktur - in Polymer-Nanokomposit-Tinten ist die ultimative Verbindung von Form und Funktion.
Die Erforschung von Verfahren, Morphologie und Eigenschaften von Polymertinten ist das Thema eines kürzlich in der Zeitschrift Additive Manufacturing veröffentlichten Artikels von Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, einem Ingenieur, der sich mit der Schnittstelle von Materialien, Mechanik und Medizin beschäftigt, und dem Doktoranden Masoud Kasraie.
Abadi und Kasraie weisen darauf hin, dass die Forscher erst einmal laufen lernen müssen, bevor sie mit Polymertinten ins Rennen gehen können. Der erste Schritt besteht darin, die Schnittstelle zwischen der Makroskala (wie unsere Augen ein Material sehen) und der Nanoskala (was wir nicht sehen können, aber wissen, dass es passiert) zu erforschen.
Während der Marktwert von Polymer-Nanokompositen und 3D-Druck-Produkten und -Dienstleistungen in die Milliarden geht, beläuft sich der Marktwert des 3D-Drucks von Nanomaterialien nur auf etwa 43 Millionen US-Dollar, so Abadi.
"Im Interesse des nationalen Wohlstands und der Aufrechterhaltung der globalen Führungsposition in der Fertigung muss die Lücke zwischen den realen Anwendungen des 3D-Drucks und der Nanomaterialien und dem 3D-Druck mit Nanomaterialien geschlossen werden", sagte Abadi. "Die Lücke besteht aufgrund der mangelnden Kontrolle der Eigenschaften von Nanokompositen im 3D-Druckprozess, da wir die Beziehung zwischen Prozess, Morphologie und Eigenschaften nicht vollständig verstehen.
Der Engpass besteht im Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen der makroskopischen Mechanik des 3D-Druckverfahrens und der nanoskaligen Mechanik und Physik der Nanoverbundstoffe. Die Forschungsarbeiten von Abadi und Kasraie zielen darauf ab, diesen Engpass zu beseitigen, indem sie die Beziehung zwischen den Prozessparametern des 3D-Drucks und der Morphologie der Nanomaterialien in Nanokomposit-Druckfarben untersuchen, die das wichtigste, aber am wenigsten erforschte Teil des Puzzles darstellt.
Die vielen Vorteile von Tinten aus Nanomaterialien
Abgesehen von den wissenschaftlichen Aspekten der Nanokomposit-Tinte ist das Material aufgrund seiner zahlreichen Funktionen sehr vielversprechend. Ein Vorteil des 3D-Drucks ist die nahezu vollständige Kontrolle über die Form des Endprodukts.
Die Leitfähigkeit der Nanomaterialtinte von Abadi und Kasraie ist eine besonders praktische Eigenschaft, die dem gedruckten Epoxidharz das Potenzial verleiht, als elektrische Verdrahtung zu fungieren - sei es in einer Leiterplatte, einem Flugzeugflügel oder in 3D-gedruckten Aktoren zur Führung von Kathetern in Blutgefäßen. Eine weitere nützliche Eigenschaft der Nanokomposit-Polymer-Tinte ist ihre Festigkeit.
"Im Vergleich zu Stahl und Aluminium können wir mit dem Epoxid-Verbundstoff bei gleicher Festigkeit 80 % Gewicht einsparen", so Kasraie.
Im medizinischen Bereich, in der Luft- und Raumfahrt und in der Elektronikindustrie, wo Defekte und Schäden zu großen Problemen führen können, erfüllen die Nanokomposite eine Sicherheitsfunktion.
"Wenn etwas bricht, beginnt ein winziger Riss mit einem mikroskopisch kleinen Defekt und schreitet fort, bis er die gesamte Struktur zerstört", so Abadi. "Nanoverbundstoffe bilden Brücken in diesen Rissen und verhindern, dass die Risse wachsen. Dies ist einer der Mechanismen, durch den Kohlenstoff-Nanoröhren die mechanische Festigkeit des Materials erhöhen."
Das Verhältnis von Eigenschaften zu Gewicht, die elektrische Leitfähigkeit, die erhöhte Festigkeit und die einfache Anwendung sind nur einige der vielen vielversprechenden Gründe, warum polymere Nanokomposit-Tinten die herkömmlichen Epoxide wahrscheinlich ersetzen werden.
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