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Nicht wegwerfen - einfach warten

3D gedruckte Reifen und Schuhe, die sich selbst reparieren

07.02.2019

An Xin and Kunhao Yu

Dies ist ein abgetrenntes 3D-gedrucktes Schuhpolster, das sich selbst repariert

Anstatt Ihre kaputten Stiefel oder Ihr zerbrochenes Spielzeug wegzuwerfen, warum lassen Sie sie sich nicht selbst reparieren? Forscher der University of Southern California Viterbi School of Engineering haben 3D-gedruckte Gummimaterialien entwickelt, die genau das können.

Assistenzprofessor Qiming Wang arbeitet in der Welt der 3D-Drucksachen und schafft neue Funktionen für eine Vielzahl von Anwendungen, von der flexiblen Elektronik bis zur Klangsteuerung. In Zusammenarbeit mit den Viterbi-Studenten Kunhao Yu, An Xin und Haixu Du sowie dem Assistenten der University of Connecticut, Professor Ying Li, haben sie nun ein neues Material entwickelt, das schnell hergestellt werden kann und sich selbst reparieren kann, wenn es gebrochen oder durchstochen wird. Dieses Material könnte für Industrien wie Schuhe, Reifen, weiche Robotik und sogar Elektronik von grundlegender Bedeutung sein, da es die Herstellungszeit verkürzt und gleichzeitig die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Produkte erhöht.

Das Material wird in einem 3D-Druckverfahren unter Verwendung der Photopolymerisation hergestellt. Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Harz mit Licht in einer gewünschten Form oder Geometrie verfestigt. Um es selbstheilend zu machen, mussten sie ein wenig tiefer in die Chemie hinter dem Material eintauchen.

Die Photopolymerisation wird durch eine Reaktion mit einer bestimmten chemischen Gruppe namens Thiolen erreicht. Durch Zugabe eines Oxidationsmittels zur Gleichung wandeln sich Thiole in eine andere Gruppe namens Disulfide um. Es ist die Disulfidgruppe, die sich im gebrochenen Zustand reformieren kann, was zur Selbstheilungsfähigkeit führt. Das richtige Verhältnis zwischen diesen beiden Gruppen zu finden, war der Schlüssel zur Erschließung der einzigartigen Eigenschaften der Materialien.

"Wenn wir das Oxidationsmittel allmählich erhöhen, wird das Selbstheilungsverhalten stärker, aber das Photopolymerisationsverhalten wird schwächer", erklärt Wang. "Es gibt einen Wettbewerb zwischen diesen beiden Verhaltensweisen. Und schließlich fanden wir das Verhältnis, das sowohl eine hohe Selbstheilung als auch eine relativ schnelle Photopolymerisation ermöglichen kann."

In nur 5 Sekunden können sie ein 17,5 Millimeter großes Quadrat drucken und so ganze Objekte in etwa 20 Minuten fertig stellen, die sich in wenigen Stunden selbst reparieren können. In ihrer Studie demonstrieren sie die Fähigkeit ihres Materials an einer Reihe von Produkten, darunter ein Schuhpolster, ein weicher Roboter, ein mehrphasiger Verbundwerkstoff und ein elektronischer Sensor.

Nach der Halbierung in nur zwei Stunden bei 60 Grad Celsius (vier für die Elektronik aufgrund des Kohlenstoffs, der zur Stromübertragung verwendet wird) heilten sie vollständig ab und behielten ihre Kraft und Funktion. Die Reparaturzeit kann allein durch eine Erhöhung der Temperatur verkürzt werden.

"Wir zeigen tatsächlich, dass das Material bei unterschiedlichen Temperaturen - von 40 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius - zu fast 100 Prozent heilen kann", sagt Yu, der Erstautor der Studie und studiert Bauingenieurwesen. "Durch die Änderung der Temperatur können wir die Heilungsgeschwindigkeit beeinflussen, selbst bei Raumtemperatur kann das Material noch selbst heilen".

Nachdem sie die 3D-druckbaren weichen Materialien erobert haben, arbeiten sie nun daran, verschiedene selbstheilende Materialien entlang einer Reihe von Steifigkeiten zu entwickeln, vom aktuellen Weichgummi bis hin zu starren Hartkunststoffen. Diese können für Fahrzeugteile, Verbundwerkstoffe und sogar für Panzerungen verwendet werden.

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