3D-Druck mit Materialsteuerung: Hart, weich, milchig – in einem Teil

An der TU Wien haben Forschende eine 3D-Drucktechnik entwickelt, die nicht nur Formen entstehen lässt, sondern gleich deren Eigenschaften Punkt für Punkt mitbestimmt. So kann ein einziges Bauteil an einer Stelle biegsam sein, an einer anderen fest, hier transparent und dort milchig. Und das alles aus ein und demselben Material.

3D-Druck mit eingebautem Schalter

Bisher war 3D-Druck vor allem eines: praktisch, aber begrenzt. Wer ein Teil mit verschiedenen Materialeigenschaften wollte, musste mehrere Druckdurchgänge oder sogar unterschiedliche Geräte einsetzen. Jetzt zeigt das Team um Katharina Ehrmann vom Institut für Angewandte Synthesechemie, dass es auch einfacher geht.

„Wir können unterschiedliche Lichtintensitäten verwenden, unterschiedliche Wellenlängen oder unterschiedliche Temperaturen“, erklärt Ehrmann. „All das kann benutzt werden, um die Eigenschaften des 3D-gedruckten Materials zu beeinflussen.“

Das Prinzip ist verblüffend simpel: Eine flüssige Substanz härtet dort aus, wo Licht auf sie trifft. Je nach Temperatur und Intensität entsteht dabei eine andere Struktur – und damit ein anderes Verhalten des Materials.

Geordnete Spaghetti oder wildes Durcheinander

Das Geheimnis steckt in der Mikrostruktur. Stellen Sie sich das Material wie Spaghetti vor: Sind sie ungekocht, liegen sie ordentlich nebeneinander – das ist der „kristalline“ Zustand. Wird das Material dagegen wie gekochte Spaghetti durcheinandergewirbelt, entsteht der „amorphe“ Zustand.

„Kristalline Materialien sind eher hart und spröde“, erklärt Michael Göschl. „Amorphe Materialien können hingegen oft weich und elastisch sein. Auch die optischen Eigenschaften können sich stark unterscheiden – von glasartig transparent bis hin zu undurchsichtig weiß“, ergänzt Dominik Laa.

Die Forschenden steuern also, ob sich die Moleküle brav in Reih und Glied anordnen oder lieber chaotisch durcheinanderliegen – und das alles mit einem kurzen Lichtimpuls.

Unsichtbarer QR-Code im Inneren

Wie vielseitig das funktioniert, zeigt ein Beispiel aus dem Labor: Die TU-Wien-Gruppe druckte ein kleines Kunststoffstück, in dessen Innerem sich ein unsichtbarer QR-Code verbirgt. Erst wenn man das Stück erwärmt, verändert sich die innere Struktur – und der Code wird sichtbar.

Der Trick liegt in der sogenannten Kristallinität. Bei einer bestimmten Temperatur „schmilzt“ die kristalline Schicht und wird durchsichtig. Ist das Material wieder kalt, erscheint die Schicht milchig – und der Code verschwindet.

Damit ließen sich künftig etwa Sicherheitsmerkmale oder Temperaturindikatoren in Verpackungen integrieren. Überhitzt eine Lieferung empfindlicher Medikamente, könnte sich ein Warnsymbol zeigen.

Ein Material, viele Möglichkeiten

Für die Herstellung brauchen die Forschenden keine komplizierte Mischung aus verschiedenen Harzen. Alles basiert auf einer einzigen Rezeptur – das spart nicht nur Zeit, sondern sorgt auch für besonders saubere Übergänge zwischen den unterschiedlichen Zonen. Das Bauteil bleibt also stabil, obwohl es innen aus „verschiedenen Charakteren“ besteht.

Diese Methode macht es möglich, intelligente Strukturen direkt zu drucken: etwa Gelenke, die sich bei Wärme bewegen, oder Bauteile, die auf bestimmte Lichtbedingungen reagieren. Auch im Bereich biomedizinischer Implantate oder Sicherheitsdrucke sehen die Forschenden großes Potenzial.

Wie Zukunft aus Licht entsteht

Die optischen Untersuchungen fanden in der Gruppe von Andrei Pimenov am Institut für Festkörperphysik statt. Das Team konnte zeigen, dass sich nicht nur mechanische, sondern auch optische Effekte gezielt programmieren lassen. So könnte der 3D-Druck künftig nicht nur Teile formen, sondern auch Funktionen „einbauen“ – Lichtleitung, Sensorik oder Datenspeicherung inklusive.

„Wir bieten hier eine völlig neue Palette von Möglichkeiten für den 3D-Druck an“, sagt Ehrmann. „Anwendungsmöglichkeiten sind in vielen verschiedenen Bereichen abzusehen, von Datenspeicherung und Sicherheit bis hin zu biomedizinischen Anwendungen.“

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