3D-Drucken mit Ultraschall

Von Hörgeräten bis zu selbstdesigntem Schmuck – heutzutage ist der 3D-Druck weit verbreitet. Meist entsteht das gedruckte Objekt Schicht für Schicht auf einer Oberfläche. Eine neuartige Methode hingegen lässt Objekte aus Kunststofftinte direkt dreidimensional aushärten: mittels Ultraschall. Nun haben Forschende mit diesem Verfahren Strukturen schnell und präzise gedruckt – und das selbst tief unter anderen Objekten, wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten.

Um einen Gegenstand zu drucken, muss zunächst flüssige Tinte an die gewünschte Stelle gelangen und dort aushärten. Oft besteht sie aus Kunststofffäden, die wie mit einer Heißklebepistole auf eine Oberfläche aufgebracht werden und beim Abkühlen fest werden. Das Werkstück entsteht dabei schichtweise. In anderen Verfahren nutzt man durchsichtige Kunststofftinte und strahlt Licht auf sie ein – zum Beispiel ultraviolettes oder infrarotes. Dadurch härtet sie zu einem festen Kunststoff aus. Dieses Verfahren hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Die Tinte streut und absorbiert das einfallende Licht, sodass sich nicht alle Formen drucken lassen – vor allem nicht an Orten, an die kein Licht gelangt.

Abhilfe schafft ein neueres Verfahren: das Drucken mit Ultraschall. Ultraschallwellen lassen sich ähnlich wie Licht fokussieren. Im Gegensatz zu Lichtwellen dringen sie jedoch tiefer in das Material ein und lassen die Tinte an der gewünschten Position – beispielsweise innerhalb des menschlichen Körpers – aushärten. Die Schallwellen üben dabei abwechselnd mehr und weniger Druck auf die Tinte aus. Daraufhin beginnen sich die Bausteine in der flüssigen Tinte stark zu bewegen und heizen sich auf. Zudem entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen, die dafür sorgen, dass die Tinte sekundenschnell aushärtet.

Präzise 3D-Strukturen in bis zu dreißig Zentimeter Tiefe

Auf dieser Methode bauten Xiao Kuang und sein Team von der Hardvard Medical School auf, um Strukturen mit einer dickflüssigen Kunststofftinte zu drucken. Sie besteht aus Polyethylen Glycol Diacrylat – kurz PEGDA –, dem sie weitere Komponenten beimengten, damit es besser aushärtet. Daraus formten sie filigrane Werkstücke an, die durch die Ultraschallwellen fest wurden: etwa kleine Räder oder ein Modell einer Hand und eines verästelten Blutgefäßsystems. Je nach Schallfrequenz konnten sie solche Strukturen sogar rund drei bis dreißig Zentimeter tief unter einer Oberfläche drucken – und das bis auf Millimeter genau. Damit druckten sie schärfere Strukturen als bisherige Tinten es ermöglichten.

Zukünftig könnte das neue Verfahren die minimalinvasive Medizin verbessern: Zunächst wird Tinte injiziert, aus der sich dann Implantate an der gewünschten Position drucken lassen. Doch bis es so weit ist, sind noch zahlreiche weitere Tests nötig.