Direct Sound Printing: Neues 3D-Druckverfahren nutzt Schall, um Objekte zu bauen

Kein Laser, sondern Ultraschallwellen lassen ein Polymer aushärten. Mit diesem 3D-Druckverfahren soll sogar im Körper gedruckt werden.

Artikel veröffentlicht am 1. Juni 2022, 11:41 Uhr, Werner Pluta

Direct Sound Printing: Drucken mit Polymeren, Keramiken und in Zukunft auch mit Metallen (Bild: Concordia University/Nature)

Drucken mit Schall: Wissenschaftler aus Kanada haben ein 3D-Druck-Verfahren entwickelt, bei dem ein Objekt aus einem Harz aufgebaut wird, das mit Hilfe von Schallwellen ausgehärtet wird. Mögliche Anwendungen gibt es unter anderem in der Medizin.

Direct Sound Printing (DSP) nennt das Team um Mohsen Habibi seine Entwicklung. Beschrieben haben es die vier Forscher der Concordia University in Montréal in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Das Material, das zum 3D-Drucken verwendet wird, ist Polydimethylsiloxan (PDMS), ein flüssiges Polymer auf Siliciumbasis. Das Material befindet sich in einem Behälter, in den ein Wandler Ultraschallwellen schickt. Diese erzeugen winzige Blasen, die sehr schnell schwingen. Durch diese Schwingungen steigt in den Bläschen die Temperatur auf 15.000 Kelvin (knapp 14.727 Grad Celsius) und der Druck auf über 1.000 bar.

Das Polymer wird durch Hitze fest

Unter diesen Bedingungen verfestigt sich das PDMS, das, wie die Forscher schreiben, mit den bisher genutzten Verfahren nicht 3D-gedruckt werden kann. Der Druck- und Temperaturanstieg dauert nur einige Pikosekunden, so dass das umgebende Material nicht beeinflusst wird.

"Wir haben herausgefunden, dass wir, wenn wir eine bestimmte Art von Ultraschall mit einer bestimmten Frequenz und Leistung verwenden, sehr lokale, sehr fokussierte chemisch reaktive Regionen erzeugen können", sagte Habibi. "Die Blasen können als Reaktoren dazu genutzt werden, chemische Reaktionen anzuregen, die flüssiges Harz in festes oder halbfestes Material wandeln."

Der Ultraschallwandler wird von einem Computer gesteuert und bewegt sich auf einer vorgegebenen Bahn. So wird Pixel für Pixel das gewünschte Objekt aufgebaut. Die Viskosität des verwendeten Materials sowie Dauer der Ultraschallwellenfrequenz bestimmen dessen Eigenschaften.

DSP kann in der Medizin eingesetzt werden

Anwendungen sehen die Forscher unter anderem in der Medizin. So könnte mit DSP ein Implantat im Körper gedruckt werden: Das Baumaterial wird in den Körper injiziert -PDMS ist ungefährlich und wird unter anderem in Medikamenten eingesetzt -, und der Wandler baut daraus das Implantat.

Ein anderer möglicher Abnehmer ist die Luftfahrtindustrie. Hier könnten Reparaturen an internen Strukturen vorgenommen werden, ohne Rumpf oder Tragfläche öffnen zu müssen. Habibis Team hat bereits gezeigt, dass sich neben PDMS und anderen Polymeren auch Keramiken mit DSP verarbeiten lassen. "Als nächstes werden wir Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe ausprobieren, und schließlich wollen wir mit dieser Methode auch Metall drucken", kündigte Muthukumaran Packirisamy, korrespondierender Autor der Studie, an.