Eis aus dem 3D-Drucker

Ob privat oder in der Industrie – mit 3D-Druckern lassen sich verschiedenste Gegenstände herstellen. Meist verwendet man Kunststoff oder Metall. Doch selbst aus Eis gelang es bereits, Strukturen zu drucken. Nun berichten Forschende im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“, welche Mechanismen dahinterstecken und wie sich weitere Eisstrukturen drucken lassen.

Viele 3D-Drucker tragen das Material als Tinte schichtweise auf und verschmelzen es mithilfe eines Lasers mit der Schicht darunter. Doch das Verfahren hat Grenzen und ist nicht für jedes Material geeignet – wie beispielsweise für Eis. Um Eis zu drucken, griffen Akash Garg von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und sein Team nun auf ein anderes Verfahren zurück, das sich bereits in vorherigen Experimenten als geeignet erwiesen hatte: In einer –40 Grad Celsius kalten Umgebung tropft Wasser auf eine ebenso kalte Oberfläche, wo es Tropfen für Tropfen gefriert. Dabei treten verschiedene Phänomene gleichzeitig auf und beeinflussen einander – von Schwingungen, die beim Auftreffen der Tropfen entstehen über sich ändernde Temperaturen bis hin zum Gefrieren. Das macht den Prozess beim 3D-Druck von Eis kompliziert, weshalb er bislang weitestgehend unverstanden war. Zudem war offen, wie sich glatte Strukturen und gekrümmte Objekte kontrolliert drucken lassen.

Um diese Fragen zu beantworten, entwickelten Garg und sein Team zunächst Computermodelle. Damit untersuchten sie, wie sich ein Tropfen bewegt, wenn er auf das Eis fällt und wie sich die Wärme im Eis verteilt. In die Simulationen bezogen sie unter anderem ein, wie kalt die Tropfen vor dem Fall waren und wie schnell sie hintereinander auf die Oberfläche tropften, also mit welcher Frequenz. Zudem erhoben die Forschenden experimentelle Daten, die sie mit ihren Modellen verglichen.

Auf die richtige Frequenz kommt es an

3D-gedruckte Eisstruktur

Wie sich herausstellte, lassen sich glatte Eisstrukturen nur drucken, wenn Wassertropfen in bestimmten Zeitabständen hintereinander fallen. Sind die Zeitabstände nicht richtig gewählt, frieren die Tropfen vollständig am Kontaktpunkt an und behalten ihre Tropfenform – eine Art Perlenkette wäre die Folge. Ist der Zeitabstand ideal eingestellt, bleibt der Tropfen zunächst flüssig. Das Wasser kann sich nun auf der Spitze verteilen und transportiert die Wärme gleichmäßig nach unten, bevor es gefriert. Das Resultat ist eine gleichmäßig glatte Säule.

Aufbauend auf dieser Erkenntnis gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in weiteren Experimenten, die Dicke der Eissäulen zu verändern. Dazu variierten sie die Zeit zwischen den fallenden Tropfen minimal. Zudem stellten sie gekrümmte Strukturen her. Dazu ließen sie die Tropfen an anderer Stelle aufkommen, ohne den Winkel zu verändern, in dem das Wasser auftropfte.

Die Erkenntnisse helfen nicht nur dabei, Eis, sondern auch andere Materialien zu drucken, so die Forschenden. Außerdem eigne sich ihre Technik auch für komplexere dreidimensionale Objekte, bei denen die kostengünstigen und biologisch verträglichen Eisstrukturen beim Auftauen Hohlräume erzeugen. Dadurch könnte sich der Ansatz auch in der Medizintechnik einsetzen lassen.