Dieses 3D-druckbare Gummi ist fünfzehnmal bruchfester als gewöhnliche Elastomere

Wer schon einmal etwas im 3D-Drucker hergestellt hat, kennt das Problem: Das fertige Teil zerbricht beim kleinsten Stoß. Für Hobbybastler:innen ist das ärgerlich, für die Entwicklung von tragbarer Elektronik, Robotik und Medizintechnik jedoch ein echtes Hindernis. Forscher:innen der EPFL haben nun ein elastisches Polymer entwickelt, das gleichzeitig extrem bruchfest und ermüdungsresistent ist, eine Kombination, die Materialwissenschaftler:innen bisher kaum gelang.

Zwei Netzwerke teilen sich die Last

Eva Baur, John Kolinski und Esther Amstad vom Soft Materials Laboratory (SMaL) der EPFL veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal Science Advances. Im Zentrum steht ein Material namens Double Network Granular Elastomer (DNGE): feste Elastomerpartikel, eingebettet in ein weicheres elastisches Netzwerk. Die Struktur entstand bereits 2024 als Tinte für den 3D-Druck von Bauteilen mit präzise einstellbaren mechanischen Eigenschaften. Damals ging es dem Team vor allem um die Druckbarkeit: Wie lässt sich ein Material so formulieren, dass es sich durch eine feine Düse extrudieren lässt und dabei seine Form behält? Erst bei den anschließenden Materialtests zeigte sich ein zusätzlicher, unerwarteter Vorteil.

„Ursprünglich ging es uns nur um die Verarbeitbarkeit. Doch sobald wir die granulare Struktur hatten, stellten wir fest, dass diese Materialien auch sehr zäh sind“, erklärt Amstad, Leiterin des Labors. Ein Großteil dieser Zähigkeit stamme aus wiederholten Mechanismen der Energiedissipation: Das Material nehme Energie immer wieder auf, ohne dauerhaft zu brechen.

Normalerweise müssen sich Elastomere entscheiden: Wer selten reißt, sammelt über Zeit Ermüdungsschäden an. Wer Ermüdung gut widersteht, bricht leichter bei einem plötzlichen Schlag oder starker Dehnung. Die DNGEs umgehen diesen Kompromiss, weil zwei unterschiedliche Netzwerke die mechanische Belastung untereinander aufteilen. Dehnt sich das Material, verlagert es die Spannung von den steifen Mikropartikeln in die weicheren Zwischenräume. Dort gleiten und ordnen sich Polymerketten immer wieder um, statt dass chemische Bindungen dauerhaft brechen.

Risse schlagen Umwege

Bei Belastungstests erreichten die DNGEs eine bis zu fünfzehnmal höhere Bruchfestigkeit als vergleichbare Elastomere und eine bis zu dreimal höhere Ermüdungsresistenz. Auch beim Rissverhalten zeigt sich der Effekt der granularen Struktur: Statt sich in gerader Linie durch das Material zu fressen, winden sich Risse durch die weichen Bereiche zwischen den Partikeln. Dieser Umweg bremst ihr Wachstum und verzögert das Versagen des Materials deutlich.

Baur, Kolinski und Amstad sehen darin ein neues Prinzip für die Entwicklung langlebiger weicher Materialien. Bauteile aus Soft-Robotik, Wearables und Biomedizin sind über lange Zeiträume wiederholten Verformungen ausgesetzt: Ein Sensor an einem Gelenk biegt sich tausendfach am Tag, eine Prothesenhülle wird ständig gestaucht und gedehnt. Bislang zwang genau dieser Zielkonflikt zwischen Zähigkeit und Ermüdungsresistenz Konstrukteur:innen zu Kompromissen bei der Materialwahl. Ein Elastomer, das beide Eigenschaften vereint, könnte die Lebensdauer entsprechender Produkte deutlich verlängern und gleichzeitig Folgekosten durch Reparaturen oder Austausch senken.

Der nächste Schritt: Nachhaltigkeit

Amstads Team arbeitet bereits an der Weiterentwicklung der DNGEs, unter anderem an biologisch abbaubaren Varianten und Materialien aus recycelten Rohstoffen. „Unser Ziel ist es, nachhaltigere Materialien einzusetzen, ohne bei der Mechanik Kompromisse einzugehen„, sagt Amstad. Gelingt das, würden die DNGEs nicht nur ihren ökologischen Fußabdruck reduzieren, sondern auch für jedes Labor mit einem handelsüblichen 3D-Drucker zugänglich werden.

via EPFL