Neues recycelbares Harz ermöglicht wiederholte hochpräzises 3D-Drucken

Die Gruppe erprobte das Material sowohl in Einzelphotonen-Mikrostereolithografie- als auch in Zweiphotonen-Lithografie-Systemen, Verfahren, die zur Herstellung hochdetaillierter mikroskopischer Strukturen eingesetzt werden. „Photopolymerisierte 3D-Modelle können nicht recycelt werden, sodass Bedenken hinsichtlich der negativen Umweltauswirkungen des Entsorgens von 3D-gedruckten Harzteilen bestehen", sagte Shoji Maruo, Professor an der YOKOHAMA National University.

Nach Angaben der Forscher erforderten zuvor vorgeschlagene recycelbare Harze oft chemische Zusätze oder verloren ihre Leistungsfähigkeit bereits nach wenigen Recyclingzyklen. Um dieses Problem zu lösen, wandte sich das Team dem Anthracen zu, einer chemischen Verbindung, die für ihre reversiblen lichtgetriebenen Reaktionen bekannt ist.

Bei Lichteinwirkung bildet sich Anthracen durch einen als Photodimerisierung bezeichneten Prozess vernetzte Strukturen. Die Erwärmung kann die Reaktion umkehren und das Material in seine ursprüngliche Form zurückführen.

Was die Studie zeigt

Die Forscher verwendeten ein Anthracen-haltiges Verbindungsstoff, um einen Harz zu entwickeln, der ohne Photoinitiatoren aushärtet – Chemikalien, die in UV-basierten 3D-Drucksystemen üblicherweise zur Auslösung der Verhärtung benötigt werden. „Bisher berichtete recyclebare Harze waren auf Photoinitiatoren angewiesen, während das Harz in dieser Studie durch schrittweise Polymerisation ohne Initiatoren aushärtet", sagte Maruo.

Das Team betonte, dass die Entfernung der Initiatoren die Harzzusammensetzung vereinfacht und Kontaminationen durch Additive beim Recycling reduziert. Um die Leistungsfähigkeit des Harzes zu testen, druckten die Forscher mikroskopische Strukturen mit Laserscanning-Systemen.

In einer Demonstration erstellten sie ein schmetterlingsförmiges Modell mittels Zwei-Photonen-Lithografie und stellten fest, dass die Druckqualität mit konventionellen Materialien vergleichbar blieb. „Diese Ergebnisse zeigen, dass die recycelbare Harzsubstanz mittels Laserscanning präzise in beliebigen Formen strukturiert werden kann, was ihre Eignung für die Zwei-Photonen-Lithografie bestätigt", sagte Masaru Mukai, außerordentlicher Professor an der National University YOKOHAMA.

Was die Studie zeigt

Die Forscher druckten zudem die Buchstaben „YNU" wiederholt aus, indem sie das gleiche Material über 10 Druckzyklen hinweg aufheizten und wiederverwendeten. In einem weiteren Test wandelten sie einen gedruckten Würfel in ein scheibenförmiges Objekt um, indem sie die ursprüngliche Struktur lang auf 150 °C erhitzten.

Das Team berichtete früheren recycelbaren Stereolithografie-Materialien relativ geringen Materialdegradation bei wiederholter Wiederverwendung. „Die reversible Photodimerisierung Weg zu recycelbaren Materialien für lichtbasierte 3D-Druckverfahren", sagte Mukai.

Die Forscher gaben an, dass der nächste Schritt die Anpassung des Harzes für größere 3D-Drucksysteme sowie die Verbesserung der Langzeitstabilität des Materials sei. Die Studie wurde in ACS Omega veröffentlicht.