Von Linien zu Gittern — hochauflösende 2D- und 3D-PDMS-Mikroarchitekturen mittels Aerosol-Jet-Druck

Winzige weiche Strukturen in dünner Luft erstellen

Stellen Sie sich vor, man könnte weiche, gummiartige Strukturen in der Dicke eines menschlichen Haares 3D-drucken — winzige Federn, Kanäle und Gitter, die sich wie Muskeln bewegen oder Tropfen Blut leiten können. Diese Arbeit zeigt genau das für ein weit verbreitetes Silikon namens PDMS, und zwar mit einer Druckmethode, die mikroskopische Tröpfchen in die Luft sprüht und sie zu filigranen 3D-Formen aushärten lässt, ganz ohne Stützgerüst. Die Ergebnisse öffnen Türen für neue Arten von weichen Robotern, medizinischen Geräten und Lab-on-a-Chip-Systemen, die zuvor nur schwer oder gar nicht herstellbar erschienen.

Warum weiche Silikonformen schwer herzustellen sind

PDMS ist ein klares, flexibles Silikon, das in biomedizinischen Geräten, mikrofluidischen Chips und der weichen Robotik weit verbreitet ist, weil es verträglich zu Gewebe ist, Gase durchlässt und verschleißfest ist. Bisher wurden die meisten PDMS-Bauteile in Formen gegossen, was für flache oder einfache Formen gut funktioniert, aber bei komplexen 3D-Architekturen wie überhängenden Balken, hohlen Gittern oder geschlungenen Kanälen, die aus der Ebene herauswachsen, an seine Grenzen stößt. Bestehende Druckverfahren erfordern oft Stützflüssigkeiten, komplizierte Chemien oder liefern Teile mit schlechter Auflösung und begrenzter Festigkeit. Kurz gesagt: Es fehlte ein einfacher, allgemeiner Weg, PDMS im mikroskopischen Maßstab „in den Raum zu zeichnen“.

Zeichnen mit einem fokussierten Nebel aus Tröpfchen

Die Forschenden adaptieren eine Technik namens Aerosol-Jet-Druck, die normalerweise Metall- oder Elektronik-Tinten auf Oberflächen sprüht, und formulieren PDMS so um, dass es als feiner Nebel jettbar ist. Sie verdünnen das Silikon mit einem Lösungsmittel, um eine Tinte zu erzeugen, deren Viskosität niedrig genug ist, damit ein Ultraschallvernebler sie in 1–5 Mikrometer große Tröpfchen zerstäuben kann. Ein Gasstrom transportiert diese Tröpfchen dann zur Düse, wo ein zweiter Gasstrom den Nebel zu einem schmalen Strahl bündelt, der deutlich kleiner ist als die Düsenöffnung. Trifft dieser Strahl auf eine heiße Oberfläche, verdampft das Lösungsmittel schnell und die Tröpfchen härten zu festem PDMS aus. Durch das Abscannen des Substrats oder Verweilen an einer Stelle kann der Drucker präzise Linien in 2D aufbringen oder Tröpfchen vertikal stapeln, um Säulen und Balken in 3D wachsen zu lassen.

Von geraden Linien zu Gittern im Raum

Um den Prozess zuverlässig zu gestalten, kartiert das Team systematisch, wie Temperatur und Gasfokussierung die Linienbreite und Aufbauhöhe beeinflussen. Auf beheizten Substraten bis zu 250 °C erzielen sie PDMS-Linien von nur etwa 27 Mikrometern Breite — ungefähr ein Viertel eines menschlichen Haares — und erreichen dabei dennoch genug Dicke, um mehrere Schichten aufzubauen. Sie untersuchen, wie hoch freistehende Mikrosäulen wachsen können, bevor sie auslaufen und ihre gerade Form verlieren, und wie flach geneigte Streben gedruckt werden können, ohne durchzuhängen. Simulationen zeigen, dass die Spitze einer Säule beim Wachsen relativ zum Fußpunkt abkühlt; oberhalb einer gewissen Höhe härten die Tröpfchen nicht mehr schnell genug aus, was zu einer bauchigen Spitze führt. Durch Feinabstimmung der Druckbedingungen erreichen die Autorinnen und Autoren Aspektverhältnisse von rund 22 (Höhe das 22‑fache des Durchmessers) und können Balken in Winkeln von bis zu nur 36 Grad über der Horizontalen drucken — und das alles ohne temporäres Stützmaterial.

Weiche Gitter, winzige Rohre und magnetische Mikrosäulen

Mit diesem Entwurfsraum bauen die Forschenden eine Reihe von Mikrostrukturen. Sie drucken 3D‑PDMS‑Gitter aus sich kreuzenden Streben von nur etwa 87 Mikrometern Dicke und komprimieren sie zehntausende Male bis zu 30–50% Dehnung. Die Gitter federn mit nur geringem Leistungsverlust zurück und zeigen hohe Ermüdungsresistenz, was sie vielversprechend als weiche mechanische Bauteile oder Schutzpolster macht. Durch das Drucken hohler Säulen erzeugen sie freistehende Mikrokanäle, die farbige Flüssigkeit unter Druck transportieren, ohne zu lecken oder sich von der darunter liegenden Metallplatte zu lösen — im Grunde winzige 3D‑Rohre, direkt auf Hardware gezeichnet. Schließlich mischen sie superparamagnetische Eisenoxid‑Nanopartikel in die PDMS‑Tinte und drucken magnetische Säulen, die sich zu einem nahegelegenen Magneten hin biegen und beim Entfernen des Feldes wieder zurückkehren, was an künstliche Cilien oder andere weichrobotische Aktuatoren erinnert, die auf äußere Felder reagieren.

Mehr als ein Material: Ein allgemeiner Weg zu winzigen 3D‑Polymeren

Obwohl PDMS im Mittelpunkt steht, funktioniert dasselbe Druckrezept auch für mehrere andere Polymere, von sehr weichen Silikonen bis zu steiferen Kunststoffen und einem leitfähigen organischen Material. Ohne große Neukalibrierung fertigt das Team Mikrogitter und Säulen aus Polyimid, Ecoflex, SU‑8 und PEDOT:PSS, was darauf hindeutet, dass der Ansatz breit anwendbar ist. Die Schlüsselkriterien sind, dass die Tinte in kleine Tröpfchen aerosolisiert werden kann und dass diese Tröpfchen beim Auftreffen auf eine warme Struktur schnell erstarren. Diese Vielseitigkeit deutet auf zukünftige Geräte hin, bei denen weiche, starre und leitfähige Elemente gemeinsam in einer einzigen 3D‑Mikroarchitektur gedruckt werden.

Was das für zukünftige weiche Geräte bedeutet

Alltäglich gesprochen verwandelt diese Arbeit PDMS von etwas, das man hauptsächlich in Formen gießt, in ein Material, das man frei in drei Dimensionen im Maßstab von Blutgefäßen und Haaren „skizzieren“ kann. Durch die Kombination einer langzeitstabilen, versprühbaren Silikon‑Tinte mit sorgfältiger Kontrolle von Hitze und Tröpfchenstrom zeigen die Autorinnen und Autoren, dass sich filigrane, selbsttragende Gitter, Flüssigkeitskanäle und magnetisch angetriebene Säulen in einem Schritt und ohne unordentliche Stützbäder herstellen lassen. Für zukünftige weiche Roboter, tragbare Sensoren und Lab‑on‑a‑Chip‑Systeme bedeutet das, dass Designer von flachen Schichten zu echten 3D‑Architekturen übergehen können und so mehr Funktionalität in kleinere, weichere und komplexere Geräte packen.»

Zitation: Kushagr, S., Hu, C., Yuan, B. et al. From lines to lattices—high-resolution 2D and 3D PDMS microarchitectures via aerosol jet printing. npj Adv. Manuf. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00080-1

Schlüsselwörter: Aerosol-Jet-Druck, PDMS-Mikrostrukturen, Weiche Robotik, Microfluidik, 3D-Polymergitter