Von der Luft‑ und Raumfahrt bis zur HealthTech – LCEs sind so vielseitig, wie sie faszinierend sind

Lassen Sie uns zunächst das Wesentliche ansprechen! Was sind LCEs? Nun, LCEs stehen für Liquid Crystalline Elastomers – vernetzte Polymernetzwerke, die die elastischen Eigenschaften von Gummi mit den anisotropen Eigenschaften von Flüssigkristallen kombinieren. Der Hauptfaktor, der ihre Einzigartigkeit antreibt, ist, dass Multifunktionalität und Reaktionsfähigkeit in LCEs durch Musterung ihrer lokalen Orientierung programmiert werden können.

Es ist eine seltene Eigenschaft – schwer in anderen monolithischen Materialsysten zu erreichen. Und wie ein Review‑Artikel des Nature‑Magazins aus dem Jahr 2021 hervorhebt, haben Fortschritte in der Synthese und Ausrichtung von LCEs es ermöglicht, sie funktional in verschiedenen Bereichen zu integrieren, darunter Robotik, Optik, Konsumgüter, Energie und Gesundheitswesen. 

Heute tauchen wir tiefer in diese Vielseitigkeit der LCEs ein, um zu sehen, wie sie ihren Wert in einer Reihe von Bereichen beweisen, von der Luft‑ und Raumfahrt bis zur HealthTech. 

3D‑Druck‑Ansatz für Formwechselnde Materialien unter Verwendung von LCE‑Strukturen

Ein Forscherteam der Oregon State University hat einen neuen 3D‑Druck‑Ansatz für formwechselnde Materialien entwickelt. Im realen Leben könnten solche formwechselnden Materialien dazu beitragen, robotische Anwendungen zu verbessern, indem sie ihnen eine robotische Qualität verleihen. 

Während er die Eigenschaften von LCEs in diesem Kontext erklärte, sagte Devin Roach vom OSU College of Engineering:

„LCEs sind weiche Motoren. Da sie weich sind, im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren, funktionieren sie hervorragend mit unseren von Natur aus weichen Körpern. Sie können also beispielsweise als implantierbare medizinische Geräte verwendet werden, um Medikamente gezielt zu verabreichen, als Stents für Eingriffe in Zielbereichen oder als Harnröhrenimplantate, die bei Inkontinenz helfen.“

Genauer gesagt beschreibt die Forschung, veröffentlicht im Journal Advanced Materials, die Herstellung von LCEs mittels additiver Fertigung (AM)‑Techniken, vorwiegend unter Verwendung von Direct Ink Write Printing. Die Forscher dokumentierten die Herstellung von ausgerichteten Hauptketten‑LCEs mittels DLP‑3D‑Druck unter Einsatz eines 100 mT Magnetfelds.

Systematische Untersuchungen isolierten den Beitrag von Magnetfeldstärke, Ausrichtungszeit und Schichtdicke des Aufbaus zum Grad der Orientierung in 3D‑gedruckten LCEs. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das DLP‑Drucken ausgerichteter LCEs neue Möglichkeiten eröffnen könnte, stimuli‑responsive Materialien in Formfaktoren zu fertigen, die für den funktionalen Einsatz in weicher Robotik und Energieabsorption optimiert sind.

Während all das nach Fachjargon und hochmodernen Implikationen klingen mag, könnte das Verständnis von LCEs viel einfacher sein, wenn wir ihre realen Anwendungen betrachten. Im Wesentlichen können LCEs ihre Form ändern, wenn sie bestimmten Stimuli wie Wärme ausgesetzt werden. Durch Ausnutzung dieser Eigenschaft können LCEs verwendet werden, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, sodass sie gespeichert und bei Bedarf genutzt werden kann. 

Die muskelähnliche Flexibilität, die LCEs uns bieten, kann uns erheblich voranbringen im Bereich der weichen Robotik. Diese flexiblen Roboter könnten Bereiche betreten, die für Menschen unsicher oder ungeeignet sind. Laut Devin Roach:

„Sie haben zudem Potenzial in der Luft‑ und Raumfahrt als Aktuatoren für automatisierte Systeme wie solche für das Greifen im tiefen Weltraum, die Radar‑Entfaltung oder die extraterrestrische Erkundung gezeigt.“

DLP, die Kernleistung dieser Forschung, die von Roach und Mitarbeitern an der Harvard University, der University of Colorado sowie den nationalen Laboren Sandia und Lawrence Livermore durchgeführt wurde, zeigte uns einen Weg, die Moleküle mittels eines Magnetfelds während einer Art des 3D‑Drucks, genannt Digital Light Processing, auszurichten. Es war entscheidend, LCEs ihr volles Potenzial zu nutzen, weil die Formwechsel‑Eigenschaften der flüssigkristallinen Elastomere von der Ausrichtung der Moleküle im Material abhingen. Digital Light Processing nutzt Licht, um flüssiges Harz mit Präzision zu festen Formen zu härten.

Während er die Errungenschaften der Studie hervorhob, sagte Roach, dass die Ausrichtung der Moleküle der Schlüssel sein könnte, um das volle Potenzial von LCEs zu erschließen und ihre Nutzung in „fortschrittlichen, funktionalen Anwendungen“ zu ermöglichen. Roach fuhr weiter fort und behauptete, dass ihre Arbeit „neue Möglichkeiten für die Schaffung fortschrittlicher Materialien eröffnet, die auf Stimuli in nützlicher Weise reagieren und potenziell Innovationen in mehreren Bereichen ermöglichen.“

Roach und seine Mitforscher untersuchten eine Reihe von Parametern. Sie variierten die Stärke des Magnetfelds und untersuchten, wie dies die molekulare Ausrichtung zusammen mit anderen Faktoren, wie der Schichtdicke des Drucks, beeinflussen könnte. Die Forscher konnten komplexe Formen von flüssigkristallinen Elastomeren drucken, die sich bei Erwärmung auf spezifische Weise veränderten.

Roach leitete zudem ein weiteres Forscherteam, das das mechanische Dämpfungspotenzial von LCEs weiter untersuchte. Die Forschung und ihre Ergebnisse könnten nützlich sein für die Entwicklung erstklassiger automatischer Stoßdämpfer, seismischer Dämpfer und Vibrationsdämpfer für Brücken. 

Während die Forschung und ihre Ergebnisse LCEs in vielen Bereichen instrumental machen könnten, wird die Forschung an Strukturen von flüssigkristallinen Elastomeren bereits seit einiger Zeit fortgesetzt. In den nächsten Abschnitten werden wir einige dieser Studien diskutieren und wie sie technologische Innovationen um uns herum beeinflussen könnten.

LCE und 4D‑Druck

Im Juni 2022 zeigte ein Forschungsartikel, veröffentlicht im Journal Materials Horizons, dass Wissenschaftler durch Musterung von Ordnung in Strukturen LCEs reversible Hochgeschwindigkeits‑ und großskalige Aktuation als Reaktion auf externe Stimuli demonstrieren, was eine enge Integration mit 4D‑Druck und Architekturen digitaler Geräte ermöglicht, was in homogenen weichen Polymernetzwerken kaum beobachtet wird.

Die Forscher sammelten Informationen über aktuelle Fortschritte beim 4D‑Druck von LCEs, mit Schwerpunkt auf Synthese‑ und Verarbeitungstechniken, die mikroskopische Änderungen in der molekularen Orientierung ermöglichten und damit makroskopische Änderungen der Eigenschaften von Endprodukten bewirkten. Die Forschung schloss, dass die Kombination von LCE‑ und 4D‑Druck in den Bereichen weiche Robotik, Optik und biomedizinische Geräte nützlich sein könnte.

Leistung von LCEs auf die biologische Zellantwort

Eine weitere Forschung, veröffentlicht im Journal ACS Applied Polymer Materials im Januar 2023, untersuchte die Strukturen und Synthesemethoden von LCEs sowie ihre Materialbiologie mit Schwerpunkt auf biochemischen und biomechanischen Merkmalen von Zellen aus molekularer Sicht. Die Forschung untersuchte dabei Faktoren wie das quasi‑flüssigkristalline Verhalten von Zellen, den Grad der orientierten Ordnung in verschiedenen Zellen und flüssigkristallinduzierte topografische Signale als wachstumsfördernde Agentien für Zellen. 

Abgesehen von solchen Forschungen von Wissenschaftlern auf dem Gebiet haben auch renommierte Forschungslabore weltweit Interesse an LCEs und ihrer Weiterentwicklung gezeigt. Wir diskutieren im Folgenden einige dieser Labore und versuchen zu verstehen, warum sie LCEs als entscheidend erachten. 

LCE‑Bewertung durch das Nguyen‑Labor: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Das Labor ist der Ansicht, dass die viskoelastischen Eigenschaften von LCEs genutzt werden können, um transformative Materialien und Strukturen mit extremem Dämpfungsverhalten zu entwerfen. Das Labor führte eine Studie durch, um ein grundlegendes Verständnis der Relaxationsmechanismen von Hauptketten‑LCEs zu entwickeln, um das Design außergewöhnlicher Dämpfungsverhalten von LCE‑Materialien und -Strukturen über mehrere Längenskalen hinweg zu ermöglichen.

Die Forscher vermuteten, dass das verbesserte Dämpfungsverhalten von LCEs aus der Kopplung der Relaxationsdynamik der Mesogene und des Polymernetzwerks resultiert und von der Mesogen‑Ordnung und Kettenausrichtung abhängt. Laut dem Labor könnte das intrinsische Dämpfungsverhalten in einem architektonischen Design genutzt werden, um Strukturen mit extremer Dämpfung und Energieabsorption zu erzeugen. 

Arbeit des Aizenberg‑Labors der Harvard University an LCEs

Die Vision des Labors bestand darin, LCEs als adaptive Materialien mit programmierbarer molekularer Skalierung zu betrachten, die Möglichkeiten für das rationale Design der nächsten Generation reaktionsfähiger Materialien schaffen und potenziell Bereiche von künstlichen Muskeln bis zu selbstreinigenden Oberflächen und homöostatischen Systemen transformieren könnten.

Das Labor stellte fest, dass LCEs vielversprechende Materialien sind, um die gewünschte Programmierbarkeit und Verformungsfähigkeiten zu erreichen, da sie aus anisotropen Molekülen, den sogenannten Mesogenen, bestehen, die kovalent an ein polymeres Hintergrundmaterial (den Elastomer) gebunden sind.

Während es verschiedene Ansätze zur Vorgabe der Ausrichtung der Mesogene gab, nutzte die Aizenberg‑Gruppe typischerweise Magnetfelder, um den Flüssigkristall‑Direktor aufzuerlegen. Diese Methode kann auf jede 3D‑Form angewendet und darin programmiert werden, wodurch die Forscher makroskopische Deformationsmodi auf molekularer Ebene kodieren können. 

Die Aizenberg‑Gruppe, aktiv als Labor für Biomineralisation und Biomimetik unter dem Dach der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, hat magnetisch ausgerichtete LCEs verwendet, um eine Vielzahl von multireaktiven Mikrostrukturen zu schaffen, wie Mikropfosten, Mikrolatten, miteinander verbundene zelluläre Strukturen und eng beabstandete Arrays.

Die Gruppe plant, ihre Forschung fortzusetzen, um unser grundlegendes Verständnis selbstregulierender Systeme zu erweitern und diese Designs in Anwendungen wie autonome multimodale Aktuatoren in schaltbaren Klebstoffen, Informationsverschlüsselung, autonome Antennen, Energieerntesysteme, weiche Roboter und intelligente Gebäude zu überführen.

Während einzelne Forschungsarbeiten und Laborstudien zu LCEs in vollem Gange sind, können einige Unternehmen davon profitieren. Wir werden nun einige dieser Unternehmen betrachten.

Klicken Sie hier für eine Liste der Top‑Aktien im Bereich additive Fertigung und 3D‑Druck.

1. 3D Systems Corp (DDD )

Das Unternehmen, das an erster Stelle steht, wenn wir über die kommerzielle Nutzung von LCE‑Forschung nachdenken, ist 3D Systems Corp. Es deckt das gesamte Spektrum der 3D‑Druck‑Industrie ab, von 3D‑Druckern über Materialien bis hin zur Software. Es verfügt über das umfassendste Sortiment an kommerziellen 3D‑Druckern, die Unternehmen ermöglichen, Kunststoff‑ oder Metallteile dort zu drucken, wo sie benötigt werden, in einem Bruchteil der Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsprozessen.

Das umfangreiche und vielseitige Portfolio an 3D‑Druck‑Materialien des Unternehmens umfasst Kunststoff, Elastomer, Verbundwerkstoffe, Wachs, Metall, biokompatible Materialien und mehr. Darüber hinaus steigert es den Wert des gesamten Systems durch seine KI‑gestützte Software, die für Präzision in der additiven Fertigung entwickelt wurde und ideal für industrielle und medizinische Anwendungen ist.

Das Unternehmen bedient ein breites Kundenspektrum in Branchen wie Luft‑ und Raumfahrt, Verteidigung, Automobil, Bioprinting, CO₂‑Abscheidung, Konsumententechnologie und vielen mehr. 

Das Unternehmen verfügt über ein breites Produktsortiment im Elastomer‑Bereich, einschließlich des DulaForm TPU Elastomers, einem thermoplastischen Elastomer mit gummiähnlicher Flexibilität und Funktionalität. Es kann für die Produktion von Konsumgütern in niedrigen bis mittleren Stückzahlen, die Fertigung flexibler Teile für industrielle Anwendungen, die Erstellung funktionaler Prototypen von Schläuchen und Dichtungen sowie das Prototyping und die Produktion von Schuhkomponenten verwendet werden. 

Das Material VisiJet® CE-NT von 3D System Corp liefert eine erstklassige elastomerische Materialleistung für funktionale Prototypen, um einer Reihe von Ingenieur‑ und Design‑Anwendungen gerecht zu werden. Es besitzt hervorragende Zugfestigkeit, und seine transluzente natürliche Farbe hilft, lebensnahe Modelle der menschlichen Anatomie für medizinische Modellierungsanwendungen zu erstellen.

3D Systems Corporation gab am 26. November 2024 seine Finanzergebnisse für das am 30. September 2024 endende dritte Quartal bekannt. Obwohl der Umsatz von 112,9 Millionen $ ein Jahr‑über‑Jahr‑Rückgang von 9 % verzeichnete, gewann das Kundeninteresse an 3D‑Druck‑Anwendungen weiter an Schwung, wobei die Einnahmen der Application Innovation Group (AIG) im Jahresverlauf um über 26 % gegenüber dem Vorjahr in industriellen Märkten wuchsen.

2. Teradyne, Inc.(TER )

Teradyne, Inc. stellt Geräte her, die Halbleiter, drahtlose Geräte und andere komplexe Elektronik testen. Ihre Werkzeuge werden in Branchen wie Automobil, Luft‑ und Raumfahrt, Verteidigung und Konsumelektronik eingesetzt. Sie sind ein bedeutender Akteur im Bereich automatisierter Tests und industrieller Automatisierung.

Im dritten Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 737 Millionen $, wobei der Großteil – 543 Millionen $ – aus dem Bereich Semiconductor Test stammt, während Robotics 89 Millionen $ beitrug. Kleinere Beiträge kamen von System Test und Wireless Test mit jeweils 73 Millionen $ bzw. 33 Millionen $.

Liquid Crystalline Elastomers (LCEs) könnten eine große Rolle bei der Gestaltung der Zukunft von Teradyne spielen, insbesondere in der Robotik. LCEs sind besonders, weil sie ihre Form ändern können, wenn sie Hitze oder Licht ausgesetzt werden. Dies macht sie ideal für weiche Robotik, die Flexibilität und Präzision benötigt. Wenn Teradyne LCEs in ihre Roboter integriert, könnten diese anpassungsfähiger für Branchen werden, die fortschrittliche Automatisierung verlangen.

3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )

Zebra Technologies Corporation zeichnet sich im Bereich Enterprise Asset Intelligence aus, mit mobilen Computern, Barcode‑Scannern, RFID‑Lesern und Spezialdruckern, die in Branchen wie Einzelhandel, Gesundheitswesen, Fertigung und Logistik eingesetzt werden.

Im dritten Quartal 2024 meldete Zebra einen Umsatz von 1,26 Milliarden $, ein Anstieg von 31 % gegenüber dem Vorjahr. Der bereinigte Gewinn pro Aktie lag bei 3,49 $, übertraf die Erwartungen und zeigte starkes Wachstum.

Liquid Crystalline Elastomers könnten eine interessante Ergänzung für das Portfolio von Zebra sein, da diese Materialien ihre Form ändern, wenn sie Hitze oder Licht ausgesetzt werden, was sie ideal für den Einsatz in weicher Robotik oder anderen adaptiven Systemen macht. Wenn Zebra diese Technologie erforscht, könnte dies die Anpassungsfähigkeit ihrer Lösungen verbessern – etwas, das Branchen mit flexibler Automatisierung als wertvoll erachten. LCEs könnten Zebras Systeme in komplexeren Umgebungen arbeiten lassen oder Aufgaben übernehmen, die herkömmliche Materialien nicht bewältigen können.

Die Zukunft von LCEs

LCEs sind einzigartige Materialien, da sie das anisotrope Verhalten von Flüssigkristallen mit der Gummielastizität leicht vernetzter Polymere verbinden. Traditionelle Formgedächtnismaterialien sind nicht so effektiv wie LCEs beim Bau weicher Aktuatoren. LCEs besitzen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, gute Flexibilität, anisotropes Verhalten und reversible Formantworten. 

Allerdings muss die Forschung an LCEs mehrere Lücken schließen, um ihr volles Potenzial zu realisieren. Forscher haben festgestellt, dass für weiche Materialien wie LCEs häufig ein Trade‑off zwischen den Merkmalen „hohe Aktuationskraft“ und „große Aktuationsdehnung“ besteht, die beide Schlüsselfaktoren für ihre Aktuationsleistung sind. 

Die Forscher haben zudem erkannt, dass die meisten LCEs thermotrop sind, wodurch es schwierig ist, ihre Mehrfachstimulus‑Reaktionen und Fernsteuerung, etwa lichtgesteuerte Aktuatoren, zu realisieren. Ein Großteil der laufenden Forschung konzentriert sich darauf, verschiedene funktionale Nanofüllstoffe (photothermisch, elektrowärme‑Nanomaterialien usw.) in LCE‑Matrizen einzubringen, um diese Probleme zu adressieren.

Allerdings gibt es Zweifel unter Forschern, dass die schlechte Dispergierbarkeit der funktionalen Füllstoffe in der LCE‑Matrix und die schwache Füllstoff‑Matrix‑Interaktion zu Phasentrennungen in den Kompositen führen könnten, was die Leistung der resultierenden Aktuatoren dämpft. 

Während unsere aktuelle Forschung ein gut gemeinter Schritt in diese Richtung ist, gibt es Zweifel am grundlegenden Verständnis der Beziehung zwischen molekularer Anordnung und den Aktions‑Eigenschaften von LCEs. Forscher sehen dies als Herausforderung, die Deformation oder Bewegung von LCEs präzise zu steuern. 

Die neuartigen 3D‑ und 4D‑Drucktechnologien, die entwickelt wurden, um LCEs in anspruchsvolle Architekturen zu verarbeiten, zielen weiterhin darauf ab, maßgeschneiderte Geräte zu bauen, bieten jedoch bislang keine gute Lösung für die Massenproduktion.

Auf der positiven Seite ist das Interesse an LCEs in Wissenschaft und Technologie sichtbar. Es gibt eine wachsende Verbreitung von LCEs beim Aufbau intelligenter Geräte. 

Mit wachsendem Interesse an neuen LCE‑Materialtypen, fortschrittlichen 3D‑Mikro/Nanofabrikationstechnologien, neuartigen Aktionsschemata und ausgefeilten Manipulationsstrategien könnten LCE‑basierte Aktuatoren rasche Fortschritte erzielen und bald weitere hochmoderne Anwendungen finden.

Klicken Sie hier, um alles über Investitionen in den 3D‑Druck zu erfahren.