Farbänderungen im Filament als Belastungsanzeige

Ein interdisziplinäres Forscherteam von Penn Engineering, Harvard University, Duke University, University of California Berkeley und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat eine neuartige Methode entwickelt, um so genannte "cholesterische Flüssigkristall-Elastomere" - kurz CLCE - im 3D-Druck herzustellen. Dies ermöglicht dynamische, farbwechselnde Materialien, die auf Umwelteinflüsse reagieren. Dieses neue Material für 3D-gedruckte Teile funktioniert wie eine Belsatungsanzeige: Es wechselt die Farbe, wenn es gedehnt oder gedrückt wird.

Bislang nutzte man CLCEs nur für flache 2D-Filme, wie sie in LCD-Fernsehern und -Monitoren vorkommen. Diese lichtreaktiven Materialien in die dritte Dimension zu übertragen, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Team entwickelte eine innovative 3D-Drucktechnik namens Coaxial Direct Ink Writing (DIW), die präzises Drucken von multistabilen, farbwechselnden Strukturen ermöglicht.

Das Forschungsteam sieht ein breites Einsatzgebiet für CLCE-Filamente. Es könnte in der Medizin, Diagnostik, Überwachung sowie in intelligenten Sensoren, Displays, Robotik und sogar in der Kunst eingesetzt werden, um industrielle Herausforderungen zu lösen. "Mit diesem Material können wir mechanische Belastungen sichtbar machen, was mit herkömmlichen Materialien bisher nicht möglich war", erklärt Shu Yang, leitende Forscherin des Projekts.

Unterschiedliche Belastung, unterschiedliche Farben

Die in Advanced Materials veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen detailliert, welche Eigenschaften das weiche, gummiartigen CLCE-Filament besitzt, und wie die unterschiedlichen Farben als Reaktion auf mechanische Belastung, Temperatur oder andere äußere Reize entstehen. Auch über die optimalen Druckbedingungen sowie Möglichkeiten, CLC-Filament beziehungsweise Silikontinten zu optimieren, berichten die Forscher.

Bisher fehlt den CLCE-Strukturen jedoch so etwas wie ein physikalisches Gedächtnis: Wird der Reiz – Wärme, Feuchtigkeit, Licht oder mechanische Belastung – entfernt, kehren die gedruckten Produkte in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Dies beschränkt den Einsatz auf Anwendungen als Sensoren, bei denen die Belastung nicht schwankt.

Maker experimentieren im traditionellen Filamentbereich schon lange mit Farbanzeigen. So sind inzwischen Filamente im Handel, die je nach Drucktemperatur unterschiedliche Farben annehmen. Auch mit Temperaturfarben wird experimentiert. Thermoaktives PLA wechselt je nach Temperatur reversibel die Farbe und ermöglicht je nach Umgebungstemperatur unterschiedliche Farbtöne für Temperaturanzeigen im Hobby- oder industriellen Anwendungsbereich.

(usz)