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Technik: 3-D-Druck mit Malstiften

Eine Lowtech-Lösung erzeugt dreidimensionale Objekte ohne 3-D-Drucker. Die wichtigsten Zutaten sind Whiteboardstifte und Wasser. Und ein bisschen Chemie ist auch dabei.
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Dreidimensionale Objekte einfach mit einem Stift in den Raum hineinzeichnen – das geht jetzt dank eines Tricks, den eine Arbeitsgruppe um Jiyun Kim vom Ulsan National Institute of Science and Technology in Südkorea entwickelt hat. Wie das Team in »Science Advances« berichtet, bestehen die Strukturen aus einem Lackfilm, den man auf eine Oberfläche malt, anschließend mit einer Flüssigkeit abhebt und dann chemisch härtet. Die Oberflächenspannung hält einen Teil des Films an der Oberfläche der Flüssigkeit, während er an anderen Stellen weiter an der Unterlage haftet. Zwischen beiden spannt sich der Rest der gezeichneten Struktur nun als dreidimensionales Objekt auf. Die möglichen Formen, die sich auf diese Weise erzeugen lassen, seien zwar begrenzt, gibt die Arbeitsgruppe zu, dafür komme das Verfahren ohne komplizierte Technik aus.

© Song et al., Sci. Adv. 2021; 7: eabf3804
3-D-Malen

Die Zutaten des Verfahrens sind entsprechend alltäglich. Der Lackfilm, der sich bei dieser Technik in die dritte Dimension erhebt, besteht aus einem Harz auf Basis von Polyvinylbutyral – das man zum Beispiel in der Tinte handelsüblicher Whiteboardstifte findet. Beim Trocknen bildet die Substanz einen Wasser abweisenden Film; außerdem enthält die Tinte oberflächenaktive Substanzen wie Tenside, durch die sie schlechter auf Oberflächen haftet. Dadurch ist sie nach dem Malen leicht wieder abwischbar. Diese Eigenschaft ist entscheidend für den zweiten Schritt beim Erzeugen der 3-D-Strukturen: Begießt man eine Zeichnung mit Wasser, kriecht das durch die Kapillarkräfte unter den mit der oberflächenaktiven Substanz bedecken Film, so dass jener sich vom Untergrund abhebt und auf der Oberfläche der Flüssigkeit liegen bleibt. Um auf diesem Weg ein 3-D-Gebilde zu bekommen, muss ein Teil des Films auf der Oberfläche bleiben – zum Beispiel, indem man ihn mit einem nicht abwischbaren Lack »festmalt«.

Lässt man den Flüssigkeitsspiegel im Gefäß weiter ansteigen, spannt sich die dreidimensionale Struktur zwischen Flüssigkeitsoberfläche und Ankerpunkt auf. Doch noch ist sie fragil und wird nur vom Wasser getragen. Damit sie auch außerhalb der Flüssigkeit existieren kann, fügte das Team um Kim einen dritten Schritt hinzu. Dafür nutzte es einen Lack, der nun Eisenpartikel enthielt, und das Wasser enthielt einen Baustein für ein Hydrogel sowie den Katalysator Kaliumpersulfat. Diese reagieren in Gegenwart von Eisen und bilden dadurch an der Oberfläche des Films eine dünne, stabile Schicht, durch die die gemalten 3-D-Bilder auch ohne das Wasser bestehen bleiben. Die Fachleute zeigen außerdem, dass die Technik automatisiert werden kann und in Größen von wenigen Millimetern bis mehreren Dezimetern funktioniert.

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