Keramik-Origami

US-Forscher können mit einem neuen Verfahren Strukturen aus Keramik oder Metall drucken und zu komplexen Figuren falten. Was vorerst noch eine Spielerei ist, könnte ganz neue Anwendungen für Leichtbau, Filtertechnik oder medizinische Implantate eröffnen.

Das Drucken entwickelt sich seit einigen Jahren zu einer Fertigungstechnik, die zunehmend neue Anwendungen erschließt. Dazu gehören Solarzellen, elektronische Schaltungen oder Design-Möbel. Forscher der Universität von Illinois haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sie auch Gitterstrukturen aus Keramik und Metall drucken können. Die lassen sich dann zu kleinen Objekten falten, die für den Leichtbau, aber auch für die Produktion von Katalysatoren und Filtern nützlich sein könnten. Damit könnte Origami, die klassische japanische Papierfaltkunst, in Zukunft zu einer eigenen Fertigungstechnik für die Industrie werden.

„Wir können so komplexe, dreidimensionale Formen herstellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind“, sagt Jennifer Lewis, Direktorin des Materialforschungslabors an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Das Verfahren, das im Journal Advanced Materials veröffentlicht worden ist, hat die Ingenieurin gemeinsam mit Bok Ahn und David Dunand, Materialwissenschaftlern an der Northwestern University in Chicago, entwickelt. Es könnte, so die Forscher, eine Fertigungslücke bei wenige Zentimeter großen Strukturen schließen, die für den Spritzguss zu klein und für die Lithographie zu groß sind.

In dem Verfahren wird Tinte, die Keramik- oder Metallteilchen enthält, durch Druckköpfe gepresst. Das sei ähnlich wie bei einer Zahnpasta-Tube, die man ausquetscht, schildert Lewis das Grundprinzip. Die Gitterstrukturen werden dann – wie bei 3D-Druck-Verfahren – schichtweise aufgebaut. Anschließend erhitzt man sie, so dass die Teilchen fest zusammenbacken, und entfernt das Lösungsmittel. Nach diesem Prinzip haben Lewis und ihre Kollegen bereits verschiedene zweidimensionale Strukturen wie Solarzellen oder Mikroelektroden angefertigt.

Auf die Erweiterung zu einer Art Origami kam die Lewis-Gruppe, als ein Kollege fragte, ob sie auch konzentrische Zylinder aus Titan fertigen könnten. Die sollen etwa als stützendes Implantat das Knochenwachstum in die richtige Bahn lenken. Bok Ahn hatte dann die Idee, ein gedrucktes Titan-Gitter vor dem Erhitzen aufzurollen. Das Problem: Die bis dahin verwendeten Tinten trockneten zu schnell, so dass die Gitter beim Falten brachen. Die Gruppe experimentierte mit verschiedenen Tintenzusammensetzungen und fand schließlich ein passendes Gemisch aus unterschiedlich schnell trocknenden Lösungsmitteln. In Schichten aufgedruckt ist es noch elastisch genug, um sich falten zu lassen, aber schon fest genug, um nicht zu brechen oder zu reißen.

Mit diesem Verfahren haben die Forscher nun ihren japanischen Vorbildern nachgeeifert und unter anderem einen Keramik-Kranich angefertigt (siehe Bild). Das Gitter, das als Ausgangsmaterial diente, wurde dafür 16 Mal gefaltet. Der Vogel selbst sei nur ein Proof of Principle, erklären die Forscher.

„Mit der Druck-und-Falt-Technik können sie jede beliebige Form erzeugen, aber sie wiegt nicht viel, weil sie nicht massiv ist“, sagt Bob Peterson, Wissenschaftler bei Aerojet, einem Luftfahrt-Unternehmen in Sacramento, Kalifornien. Auf diese Weise könnte man etwa leichtere Titanverstärkungen für Raketenflügel herstellen. Peterson schätzt, dass sich damit deren Gewicht auf ein Sechstel reduzieren ließe.

Ebenso könnte man massive Titanwürfel durch zusammengefaltete, hohle ersetzen. Die neuen gefalteten Strukturen aus Keramik und Metall wären dabei durch Hitze und starke mechanische Beanspruchung ebenso belastbar wie konventionell gefertigte aus denselben Materialien.

Derzeit testen die Forscher aus Illinois weitere Materialmischungen und untersuchen die mechanischen Eigenschaften ihrer Origami-Varianten. Die Titanstrukturen seien fest und brächen nicht, versichert David Dunand. Er geht davon aus, dass sich das Verfahren auch auf Stahl und andere Metalle sowie verschiedene Keramikverbindungen übertragen lässt. Damit könnte man auch Filter und Katalysatoren aus Zeolithen in ganz neuen maßgeschneiderten Formen produzieren.


Das Paper: Ahn, Bok et al., „Printed Origami Structures“, Advanced Materials, veröffentlicht online: 15.4.2010, DOI: 10.1002/adma.200904232 (nbo)