Der 3D-Druck hat sich bereits im Bauwesen, der Automobilbranche, der Medizin oder anderen Bereichen als sehr nützlich erwiesen. Bei der Herstellung komplexer und flexibler Elektronik kommt er bisher seltener zum Einsatz. Wie Forscher des Soft Convergence Materials Research Centers des Korea Institute of Science and Technology (KIST) erklären, liegt das daran, dass festkörperelastische Materialien, die Elektrizität leiten, schwer zu drucken sind. Ein Forscherteam aus Asien hat im Jahr 2021 ein Verfahren für den 3D-Druck tragbarer Sensoren mit eigener Stromversorgung vorgestellt.
Im Rahmen ihrer Forschung ist es einem KIST-Team gelungen, den 3D-Druck zur Herstellung elastischer Komponenten zu demonstrieren. Ihre Druckstrategie haben sie in einem Artikel mit dem Titel „Omnidirectional printing of elastic conductors for three-dimensional stretchable electronics“ im Fachjournal Nature Electronics präsentiert. Den Forschern zufolge könnte das den Weg für den groß angelegten 3D-Druck multifunktionaler und dehnbarer Komponenten für tragbare Geräte ebnen.
- Wissenschaftler an der University of Minnesota präsentierten zuletzt einen 3D-Drucker für Elektronik auf der Haut.
Spezialtinte für den 3D-Druck dehnbarer Leiter
Eine vom Team entwickelte Verbundtinte auf Emulsionsbasis half den Forschern, dehnbare Leiter mit 3D-Druck herzustellen. Diese Spezialtinte besteht aus flüssigen Komponenten, die in einem leitfähigen Elastomer verteilt sind, einem gummiartigen Material, das Elektrizität leitet.
Byeongmoon Lee, Hyunjoo Cho und ihr Kollegen erklären in ihrer Arbeit:
„Das Drucken festkörperelastischer Leiter mit dreidimensionalen Geometrien ist eine Herausforderung, da die rheologischen Eigenschaften vorhandener Tinten normalerweise nur eine schichtweise Abscheidung ermöglichen. Wir zeigen, dass ein Emulsionssystem – bestehend aus einem leitfähigen Elastomer-Verbundwerkstoff, einem nicht mischbaren Lösungsmittel und einem emulgierenden Lösungsmittel – für den omnidirektionalen Druck elastischer Leiter verwendet werden kann. Die viskoelastischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs verleihen den gedruckten Merkmalen strukturelle Integrität und ermöglichen so frei stehende, fadenförmige und dreidimensionale Geometrien außerhalb der Ebene, die direkt geschrieben werden können – sowie pseudoplastisches und Schmierverhalten, das für Druckstabilität sorgt und ein Verstopfen der Düsen verhindert.“
Die Verbundtinte, die die Forscher einsetzen, hat verglichen zu anderen 3D-Druck-Tinten einige vorteilhafte Eigenschaften. Sie weist viskoelastische, strukturviskose und schmierende Eigenschaften auf, die den Druck komplexer 3D-Strukturen besser unterstützen sollen. Den Forschern zufolge ist es möglich, weiche Elektroden frei und direkt zu ziehen, die bei einer Dehnung von mehr als 150 % in alle Richtungen die hohe Leitfähigkeit beibehalten. Das könnte die Herstellung komplexer, auf den Benutzer zugeschnittener, dreidimensional dehnbarer Schaltkreise ermöglichen.
Lee, Cho und ihre Kollegen schrieben in ihrer Arbeit:
„Gedruckte Strukturen des intrinsisch dehnbaren Leiters weisen eine minimale Strukturgröße von weniger als 100 μm und eine Dehnbarkeit von mehr als 150 % auf. Die Verdampfung der dispergierten Lösungsmittelphase in der Emulsion führt zur Bildung mikrostrukturierter Oberflächen lokal begrenzter leitfähiger Netzwerke, die die elektrische Leitfähigkeit verbessern.“
Tragbarer Temperatursensor mit dehnbarem Display
Die Forscher druckten elastische Verbindungen, aus denen sie einen tragbaren Temperatursensor mit einem dehnbaren Display erstellten, um das Potenzial ihres 3D-Druck-Ansatzes zu demonstrieren. Es zeigte sich, dass das Gerät gute Leistung erbringt und sich diese Methode zur Herstellung unterschiedlicher anderer dehnbarer und leitender Komponenten als nützlich erweisen könnte.
Lee, Cho und ihre Kollegen betonen, dass sie ihren Ansatz mit 3D-Scan-Technologien kombinieren könnten, um Elektronik zu ermöglichen, die perfekt an die Form des menschlichen Körpers angepasst und für Benutzer angenehmer zu tragen wäre. Die von ihnen entwickelte Tinte könnte Forscher zur Entwicklung anderer emulsionsbasierter Tinten inspirieren, die ähnlich funktionieren, aber auf anderen Zusammensetzungen und Elastomeren basieren.
Bleiben Sie über weitere spannende Themen aus der Forschung und dem 3D-Druck auf dem Laufenden. Abonnieren Sie dazu unseren Newsletter.
