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3D-Druck von Aerogel: Anwendungen für Medizintechnik

Werkstoffe
Silica-Aerogele im 3D-Druck: Temperaturkontrolle im Implantat

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Eine Lotosblüte aus Aerogel druckten die Forscher, um zu zeigen, dass sich feine Strukturen im 3D-Druck aus diesem Material fertigen lassen (Bild: Empa)
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Forscher der Schweizer Empa haben mit Silica-Aerogelen experimentiert. Diese lassen sich nicht nur im 3D-Druck verarbeiten, sondern weisen danach sogar verbesserte Eigenschaften auf. Das macht sie für viele Anwendungen im Kleinmaßstab interessant, unter anderem für die Medizintechnik.

Silica-Aerogele sind leichte, poröse Schäume, die hervorragend thermisch isolieren. In der Praxis sind sie für ihr sprödes Verhalten bekannt, weshalb sie im Großmaßstab meist mit Fasern oder mit organischen beziehungsweise Biopolymeren verstärkt werden. Als hervorragender Wärmeisolator wird Aerogel bislang vor allem in der Umwelttechnik, bei physikalischen Experimenten oder in der industriellen Katalyse eingesetzt.

Im Kleinmaßstab waren Aerogele bislang kaum nutzbar. Aufgrund ihres spröden Bruchverhaltens ist es nicht möglich, kleine Stücke aus einem Aerogel-Block herauszusägen oder zu fräsen. Auch das Erstarren von Aerogelen in miniaturisierten Gussformen gelingt nicht zuverlässig – was zu hohen Ausschussraten führt.

Aerogel auch im Kleinen als Material für Hightech-Industrien

Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) ist es nun jedoch gelungen, Aerogele auch für die Mikroelektronik und im Bereich der Feinmechanik zugänglich zu machen, was zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten in der Hightech-Industrie schafft, etwa in Mikroelektronik, Robotik, Biotechnologie und Sensorik. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, wie sich 3D-gedruckte Teile aus Silica-Aerogel und Silica-Komposit-Werkstoffen mit hoher Präzision herstellen lassen – was eine bahnbrechende Entwicklung ist.

Das Team um Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait und Matthias Koebel hat stabile und wohlgeformte Mikrostrukturen aus Silica-Aerogel gefertigt, die bis zu 0,1 mm dünn sein können. Die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Silica-Aerogels liegt bei knapp 16 mW/(m*K) – sie ist damit nur halb so groß wie diejenige von Polystyrol und sogar deutlich kleiner als diejenige einer unbewegten Luftschicht mit 26 mW/(m*K). Gleichzeitig weist das neuartige, 3D-gedruckte Silica-Aerogel bessere mechanische Eigenschaften auf und lässt sich sogar bohren und fräsen. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten zur Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Aerogel-Formteilen.

Mit der inzwischen zum Patent angemeldeten Methode lassen sich die Fließ- und Erstarrungseigenschaften der silikatischen Tinte, aus dem später das Aerogel entsteht, exakt einstellen. Damit können sowohl selbsttragende Strukturen hergestellt als auch hauchdünne Membranen gedruckt werden.

Als Beispiel für überhängende Strukturen haben die Forscher winzige Blätter und Blüten einer Lotosblume gedruckt. Das Versuchsobjekt schwimmt aufgrund der hydrophoben Eigenschaften und geringen Dichte des Silica-Aerogels auf der Wasseroberfläche – genau wie sein natürliches Vorbild. Auch der Druck von komplexen 3D-Multimaterial-Mikrostrukturen ist durch die neue Technologie nun erstmals möglich.

Aerogel als Isolationsmaterial für Mikrotechnik und Medizin

Mit solchen Strukturen ist es nun vergleichsweise einfach, auch kleinste elektronische Bauteile voneinander thermisch zu isolieren. Die Forscher konnten bereits die thermische Abschirmung eines temperaturempfindlichen Bauteils sowie das thermische Management eines lokalen „Hot Spots“ auf eindrückliche Art demonstrieren. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Abschirmung von Wärmequellen im Inneren medizinischer Implantate, die zum Schutz des Körpergewebes eine Oberflächentemperatur von 37 °C nicht übersteigen sollten.

Durch den 3D-Druck lassen sich Multischicht-Multimaterial-Kombinationen deutlich zuverlässiger und reproduzierbarer fertigen. Neuartige Feinstrukturen aus Aerogel werden machbar, wie ein zweites Anwendungsbeispiel zeigt: Die Forscher konstruierten mittels einer ausgedruckten Aerogel-Membran eine „thermomolekulare“ Gaspumpe. Diese Permeationspumpe kommt ganz ohne bewegliche Teile aus und wird in der Fachsprache auch als Knudsen-Pumpe bezeichnet, benannt nach dem dänischen Physiker Martin Knudsen.

Das Wirkungsprinzip beruht auf dem eingeschränkten Gastransport in einem Netzwerk von nanoskaligen Poren oder eindimensionalen Kanälen, deren Wände an einem Ende heiß und am anderen Ende kalt sind. Das Team fertigte eine solche Pumpe aus Aerogel, das an einer Seite mit schwarzen Manganoxid-Nanopartikeln dotiert wurde. Stellt man diese Pumpe ins Licht, wird sie an der dunkel eingefärbten Seite warm und beginnt Gase oder Lösungsmitteldämpfe von der kalten zur warmen Seite zu pumpen.

Gedrucktes Aerogel: Abluft ohne bewegliche Teile reinigen

Diese Anwendungen zeigen die Möglichkeiten des 3D-Drucks auf eindrückliche Weise: Das Hochleistungsmaterial Aerogel wird durch den 3D-Druck zu einem Baumaterial für funktionelle Membranen, die sich rasch modifizieren lassen. Die lediglich durch Sonnenlicht angetriebene Knudsen-Pumpe kann nämlich mehr als nur pumpen: Ist die Luft mit einer Verunreinigung oder einem Umweltgift wie dem Lösemittel Toluol belastet, so kann die Luft mehrmals durch die Membran zirkulieren; der Schadstoff wird dabei durch eine an den Manganoxid-Nanopartikeln katalysierte Reaktion chemisch abgebaut. Derartige sonnengetriebene, autokatalytische Lösungsansätze eignen sich besonders für die Luftanalytik und -reinigung im Kleinstmaßstab, weil sie so einfach und langelebig sind.

Inzwischen suchen die Empa-Forscher bereits nach Industriepartnern, die 3D-gedruckte Aerogel-Strukturen in neue Hightech-Anwendungen integrieren wollen.

Ihre Erkenntnisse haben die Forscher in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature im August unter dem Titel „Additive manufacturing of silica aerogels“veröffentlicht. (op)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Wim Malfait, Building Energy Materials and Components,
E-Mail: wim.malfait@empa.ch

Dr. Matthias Koebel: Building Energy Materials and Components,
E-Mail:matthias.koebel@empa.ch


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