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StartseiteForschung aktuellMaterialforscher entwickeln moderne Kettenhemden12.08.2021

Textilien aus dem 3D-DruckerMaterialforscher entwickeln moderne Kettenhemden

Mittelalterliche Kettenhemden und ein Comic-Held lieferten die Inspiration: Forschende aus Kalifornien haben ein neuartiges Material entwickelt. Es ist biegsam wie Textil, wird auf Knopfdruck aber so hart wie ein Schildkrötenpanzer. Eine mögliche Anwendung wäre in der Medizin.

Von Frank Grotelüschen

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Ein Batman-Kostüm, das von Schauspieler George Clooney in dem Film "Batman & Robin" von 1997 getragen wurde. (imago images/Nils Jorgensen/i-Images)
Der Umhang des Dunklen Ritters diente als Inspiration für das neuartige Material (imago images/Nils Jorgensen/i-Images)
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Zuweilen ist es die Popkultur, die ein Forschungsteam auf eine zündende Idee bringt. So wie bei der Arbeitsgruppe von Chiara Daraio, Materialwissenschaftlerin am Caltech, dem California Institute of Technology:

"Ein Mitarbeiter von mir war von Batmans Umhang fasziniert. Normalerweise ist dieser Umhang weich, doch bei Bedarf kann er so hart werden, dass er vor Gewehrkugeln schützt. Und da fingen wir an darüber nachzudenken, welche Materialien solche Eigenschaft bieten könnten."

Am nächsten, so dachten sich die Fachleute, kommt dem ein Patent, das man aus dem Mittelalter kennt: Das Kettenhemd, geformt aus unzähligen ineinander geschachtelten Metallringen.  

Doppelte Pyramiden statt Ringe

"Kettenhemden schützen vor Schnitten oder Klingen, aber nicht so gut vor Stichen, da ist eine starre Rüstung besser. Da dachten wir uns: Wenn wir Kettenhemden so verändern könnten, dass sie steif werden wie ein Panzer, hätten wir das Beste aus beiden Welten. Und heutzutage haben wir einen Vorteil gegenüber dem Mittelalter – wir können die Kettenglieder mit 3D-Druckern herstellen."

Ein noch unlackiertes Rumpfteil eines Airbus. (Deutschlandradio / Axel Schröder) (Deutschlandradio / Axel Schröder)Leichtere Flugzeuge durch 3D-Druck
Flugzeugteile aus dem 3D-Drucker – das ist bereits Realität, zumindest bei Bauteilen aus Kunststoff. Auch für gedruckte Metallwerkstücke gibt es schon vielversprechende Verfahren. Noch sind sie aber nicht zugelassen.

Was, wenn man nicht Ringe verkettet, sondern komplexere Kettenglieder, etwa Oktaeder, also zwei an ihren Grundflächen zusammengeklebte Pyramiden? Daraio und ihre Leute stellten per 3D-Druck ein solches Kettengewebe her und setzten es unter Druck, indem sie es in eine Plastikfolie packten und die Luft herauspumpten. Das Resultat: Das vormals nachgiebige Kettengewebe wurde um den Faktor 25 steifer, also ziemlich hart. Dahinter steckt folgender Mechanismus:

"Unter Druck rücken die Kettenglieder enger zusammen. Dadurch verzahnen sie sich so stark, dass sie sich nicht mehr gegeneinander verschieben oder umeinander rotieren können. Der Schlüssel dafür ist die Form der Kettenglieder: Je mehr mögliche Kontaktpunkte es zwischen ihnen gibt, desto größer ist der Grad der Versteifung."

Mögliche Anwendung: intelligente Gipsverbände

Der Prozess ist reversibel: Nimmt man den Druck weg, wird das Hightech-Kettenhemd aus dem 3D-Drucker wieder nachgiebig und flexibel. Mögliche Anwendungen für wandlungsfähige Werkstoffe hat Chiara Daraio schon im Sinn:

"Denkbar sind intelligente Gipsverbände, die sich anpassen können und weicher werden, wenn der Bruch allmählich heilt. Oder eine neue Art von Exoskelett als Entlastung für Leute, die schwer tragen müssen. Oder für Menschen, die lange stehen müssen, eine Hose, die sich bei Bedarf versteift, so dass man sich während der Arbeit setzen und ein wenig erholen kann."

Hier geht es zum Literatursommer von Deutschlandfunk  (imago / fStopImages / Malte Müller) (imago / fStopImages / Malte Müller)

Und auch für den großen Maßstab könnte das Patent taugen, als einfach zu transportierendes Grundmaterial etwa für Behelfsbrücken. Doch bis dahin gibt es noch manche Frage zu klären: Wie etwa lässt sich in der Praxis am besten jener Druck aufbringen, der nötig ist, um das Kettenhemd zum Kettenpanzer zu machen?

"Das mit dem Vakuum war eine gute Lösung für unseren Prototyp. Doch für den Alltag wäre das nicht sehr praktisch – niemand will gerne eine Pumpe mit sich herumtragen. Doch es gibt andere Lösungen. So ließen sich künstliche Sehnen in ein Kettenhemd einweben. Würde man die anspannen, könnten sie dafür sorgen, dass sich die Kettenglieder ineinander verhaken. Oder man könnte die Kettenglieder magnetisch machen und durch Magnetfelder aufeinander zu bewegen."

Künstliche Sehnen könnten Vakuum überflüssig machen

Für ein anderes Problem liegt die Lösung schon recht nahe: Die Kettenglieder, die das US-Team gedruckt hat, sind noch recht groß, einige Millimeter – entsprechend grobmaschig ist das Gewebe. Doch es gibt bereits Drucker, die mikrometerfeine Partikel herstellen können. Und damit sollten Gewebe machbar sein, die sich anfühlen wie eine Plane, auf Knopfdruck aber zu hartem Kunststoff werden.

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