Dr. Dorothea Helmer: MatrixPrint
3D-Druck ist eine vielversprechende Technik, um Bauteile ressourcenschonend herzustellen. Doch freies Schreiben im dreidimensionalen Raum ist auch mit 3D-Druck heute noch nicht möglich – die Auftragung Schicht um Schicht, der Druck von Stützstrukturen und aufwändige Nachbearbeitung machen den 3D-Druck langsam und unpräzise. Das MatrixPrint Projekt entwickelt eine 3D-Druck Methode, mit der feinste Strukturen aus verschiedenen Materialien schichtfrei dreidimensional gedruckt werden können.
3D-Druck funktioniert ähnlich wie ein 3D-Puzzle, bei dem Kartonscheiben aufeinandergestapelt werden: beim 3D-Druck entsteht ein Bauteil durch den Auftrag einzelner Materialschichten, die dann chemisch oder physikalisch gehärtet und miteinander verbunden werden. Die Methode gilt als Fertigungsrevolution unserer Zeit und wer „3D-Druck“ hört, stellt sich gerne vor, damit jedes beliebige Bauteil, materialsparend, schnell und präzise herstellen zu können – und das nicht nur zu Hause, sondern auch industriell.
Tatsächlich ist 3D-Druck materialsparend: gängige Fertigungsmethoden wie Fräsen, Bohren, Schleifen etc. sind abtragende Methoden, bei denen aus einem Materialblock ein Bauteil durch Entfernung von Material entsteht. Das erzeugt eine große Menge Abfall. Doch der 3D-Druck kämpft auch heute noch mit einigen Einschränkungen: es lassen sich längst nicht alle Geometrien drucken, viele Strukturen sind auf Stützen angewiesen. Denn anders als beim 3D-Puzzle aus Karton werden die einzelnen Schichten erst beim Druckvorgang ausgehärtet. Davor ist das Druckmaterial weich, flüssig oder pulverförmig und kann nur dort aufgetragen werden, wo es eine stützende Unterlage findet. Durch den stapelartigen Schichtaufbau bilden sich an den Seiten der Strukturen außerdem Abstufungen und raue Oberflächen. Aus diesem Grund müssen 3D-gedruckte Bauteile oft stark nachbearbeitet werden: die Stützen (siehe Bild: gelbe Strukturen) müssen entfernt werden und das Bauteil (blau) muss geglättet werden. Dadurch wird die Methode sehr viel unflexibler und langsam. Hinsichtlich der druckbaren Materialien wird die Palette ständig erweitert, aber für unterschiedliche Materialklassen wie Glas, Polymer oder Metall müssen normalerweise sehr unterschiedliche Maschinentypen verwendet werden.
Das MatrixPrint Projekt von Dr. Helmer entwickelt daher eine neuartige 3D-Fertigungsmethode, die keine Stützstrukturen benötigt und den präzisen Druck verschiedener Materialien glatt und schichtfrei auf einem einzigen Maschinentyp ermöglicht. Dazu wird ein neues Drucksystem entwickelt, welches spezielle Nano-Tinten über eine sehr dünne Nadel verdrucken kann. Herzstück der MatrixPrint Technologie sind gelartige Matrix-Materialien, in die die Glas-, Metall- und Polymer-Nano-Tinten eingebracht werden können. Die gelartigen Matrix-Materialien sorgt durch ihre speziellen Eigenschaften dafür, dass die gedruckte, flüssige Tintenstruktur in Form gehalten wird und nicht verläuft. Nach dem Druck wird die flüssige Tinte gehärtet, das fertige Bauteil wird aus der Matrix entnommen und die Matrix kann für den nächsten Druck wiederverwendet werden. Neben den stützenden Matrix-Materialien werden im Zuge des Projektes außerdem gelartige Matrices entwickelt, die sich nach dem Druck verfestigen lassen. Nach Entfernung der gedruckten Nano-Tinte können so Mikrokanäle hergestellt werden, in denen Versuche mit Zellen gemacht oder chemische Reaktionen durchgeführt werden können.
Ziel des MatrixPrint Projektes ist die Entwicklung des Drucksystems, der gelartigen Matrix-Materialien und der Nano-Tinten. Die Kombination aus diesen drei Komponenten ermöglicht die Herstellung komplexer 3D-Strukturen, die als künstliche Blutgefäße, Synthesereaktoren oder Wellenleiter genutzt werden können. Die Möglichkeit, verschiedene Materialien auf einem Drucksystem zu vereinen macht die MatrixPrint Technologie besonders vielseitig und wird die präzise 3D-Fertigung revolutionieren.
Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Dorothea Helmer
Frau Dr. Dorothea Helmer studierte Chemie in Karlsruhe und erhielt ihr Diplom vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Anschließend promovierte sie im Bereich organische Chemie und Biochemie an der TU Darmstadt. Als Postdoktorandin beschäftigte sie sich seit 2014 zunehmend mit Polymerchemie und Ingenieurswissenschaften am Institut für Mikrostrukturtechnik am KIT. Seit 2018 forscht sie an der Technischen Fakultät der Universität Freiburg (IMTEK) und leitet seit Oktober 2020 die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „MatrixPrint“ am Freiburger Materialforschungszentrum (FMF).