Spaghetti met klittenband: 3D-printen voor gevorderden

1 oktober 2019

Met 3D-printers kunnen fantastische vormen worden gemaakt, maar voor veel toepassingen moet het materiaal veel sterker. Chemici in Eindhoven werken daaraan: "Het materiaal van de huidige 3D-printers is te vergelijken met spaghetti. Wij maken spaghetti met klittenband."

"Bij ons is het onderzoek wat generieker, Maastricht is wat meer toepassingsgericht bezig. Dat zie je ook in hun presentaties, daarin komen plaatjes van opengesneden dieren voorbij", zegt Hans Heuts met licht afgrijzen in zijn stem. Zijn collega Rint Sijbesma lacht er hartelijk om. Geen druppel bloed komt er aan te pas bij hun onderzoek aan de scheikundefaculteit van de Technische Universiteit Eindhoven, al wordt hun onderzoek uiteindelijk toegepast bij het 3D-printen van protheses en implantaten. De collega's uit Maastricht en zij vinden elkaar op een ander vlak: de onderzoeksgroepen ontwikkelen beiden nieuwe kunststoffen en gels op basis van dynamische chemische bindingen. Dat zijn chemische verbindingen in een stof die makkelijk losgaan, en ook weer makkelijk binden.

4D-afdrukken: een kleur en vorm veranderende bloem van micro-afmetingen gemaakt met direct laser schrijven. Credits: TU / e4D-afdrukken: een kleur en vorm veranderende bloem van micro-afmetingen gemaakt met direct laser schrijven. Credits: TU / e

Dynamische bindingen zorgen ervoor dat de eigenschappen van de stof kunnen veranderen tijdens of na de productie ervan. "Wij werken aan sterkere materialen voor 3D-printen", vertelt Sijbesma. "De gels die Maastricht maakt, zijn bedoeld voor in het lichaam, bijvoorbeeld om stamcellen mee in het lichaam te kunnen brengen." In Eindhoven loopt daarnaast nog een derde onderzoek binnen het gezamenlijk onderzoeksprogramma DYNAM. Chemicus Albert Schenning werkt aan 4D-printen. Hij ontwikkelt materialen die reageren op signalen van buiten, zoals licht. "Je kan dan hele precieze vormen maken, door het materiaal met licht te beschijnen", vertelt Sijbesma. DYNAM is een onderzoeksprogramma waarin de twee universiteiten samenwerken met DSM, Brightlands Materials Center, TNO en Xilloc, een jong bedrijf in medische implantaten op maat. Op de website van Xilloc staan mooie plaatjes van 3D-geprinte schedeldelen, een van de toepassingen waar je bij medisch 3D-printen aan moet denken.

Nieuwe printmaterialen

Met 3D-printen zijn vormen te maken, die met traditionele methoden niet zomaar te maken zijn – denk aan twee ineengehaakte ringen, zonder naden. Bovendien zijn er geen mallen voor nodig, wat handig is bij unieke objecten als op maat gemaakte implantaten of protheses. Chemici Sijbesma en Heuts werken aan nieuwe materialen voor laser sintering, een printtechniek waarbij laagjes poeder met een laser aaneen worden gesmolten tot een object. "De grote precisie is fantastisch, en je hebt er geen steunvlak bij nodig zoals bij andere 3D-printmethoden", vertelt Heuts, "maar het resultaat is lang niet zo sterk als bijvoorbeeld bij spuitgieten."

Sijbesma en hij ontwikkelen daarom nieuwe kunststoffen, waardoor het gesmolten poeder beter hecht. "Gewone polymeren zijn een soort spaghettislierten, die hechten doordat ze in elkaar verstrikt raken. Wij verbeteren de plakkracht door dynamische bindingen toe te voegen. Dan krijg je spaghetti met klittenband", legt Heuts uit. Bij hoge temperaturen laten de klittenbandbindingen los en wordt de kunststof vloeibaar. Sijbesma: "Daardoor is het bij hoge temperaturen goed te verwerken." Eenmaal afgekoeld staat het materiaal als een huis.

Het onderzoek loopt goed. In het lab zijn meerdere nieuwe materialen gemaakt. "Je probeert allerlei dingen uit waarvan je denkt dat ze kunnen werken", vertelt Sijbesma. Soms pakt dat goed uit, soms minder. "Een van de stoffen die we hebben gemaakt bleek juist extreem bros." Collega's van de faculteit Werktuigbouwkunde testen nu de beste materialen. Heuts: "Zij kijken of de poeders bij verhitting netjes in elkaar vloeien." Dit betekent niet dat het werk voor Sijbesma en Heuts gedaan is. "Als bijvoorbeeld blijkt dat een materiaal veelbelovend is, maar nog niet bij de juiste temperatuur smelt, dan gaan wij weer aan de slag."

Injectiespuit

Ook begint het nadenken over de juiste productiemethode. Binnenkort komt er een extruder binnen, een veelgebruikt apparaat uit de kunststofchemie. Een extruder is een soort injectiespuit, waar aan de ene kant kunststofkorrels ingaan, en aan de andere kant gesmolten kunststof uitkomen. "Uitgangspunt van ons onderzoek is dat we eenvoudige chemie gebruiken en veelgebruikte uitgangsstoffen", benadrukt Heuts. "We gebruiken als basis een commerciële polyester van DSM. Daar voegen we een andere stof aan toe om de dynamische bindingen te maken." Met de extruder wil hij kijken of dit mengen ook op grotere schaal werkt. "Met wat geluk gooien we onze beginmaterialen in de extruder en komt onze nieuwe kunststof er vloeibaar uit", zegt hij. Als dat inderdaad zo is, zou dat de stap naar commercieel gebruik wel heel eenvoudig maken. Sijbesma: "Nu maken we alleen nog kleine hoeveelheden poeder, een paar gram, maar opschalen lijkt me geen probleem."

De sterke materialen zijn speciaal ontworpen voor het 3D-printen, maar zouden ook op andere gebieden van pas kunnen komen. Repareerbare kunststof, bijvoorbeeld. "Het vloeit als je het verwarmt, en is sterk als het afkoelt. Je zou dus een breuk kunnen repareren door de kunststof te verhitten", legt Heuts uit. "Het is speculeren, maar misschien kan dat van pas komen bij het repareren van windmolens. "Of kinderspeelgoed van kunststof", vult Sijbesma aan, "dat hoef je dan niet meteen weg te gooien als er een onderdeel afbreekt." Voorlopig zijn dat enkel wat wilde ideeën, waar de heren nu niet teveel woorden aan vuil willen maken. Eerst maar eens doen wat ze in hun onderzoekvoorstel hebben beloofd: een sterk materiaal ontwikkelen voor het 3D-printen. "Daarna kijken we verder."

Tekst: Anouck Vrouwe

Bron: NWO