Graphen-3D-Druck möglich: US-Forscher entwickeln 3D-Druckverfahren für das stärkste Material auf der Erde – Graphen

Graphen zählt zu den stärksten Materialien auf der Erde, doch war es bisher äußerst schwer bis unmöglich Graphen mittels 3D-Druckverfahren zu verarbeiten. Forschern der Virginia Tech und des LLN-Laboratory ist es eigenen Aussagen zufolge jetzt gelungen, ein neuartiges 3D-Druckverfahren zu entwickeln, das die Verarbeitung von Graphen mit einem 3D-Drucker in einer Auflösung von bis zu 10 Mikrometer möglich macht.

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Graphen ist das stärkste Material auf der Erde. Graphen ist aber leider bisher nur schwer bis gar nicht geeignet für den 3D-Druck, doch das soll sich jetzt ändern. Graphen ist ein leistungsstarkes Material, das in der Luft– und Raumfahrt sowie Batterieindustrie benutzt wird. Ingenieure der Virginia Tech– und des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben zum 3D-Druck komplexer Graphenobjekte ein neuartiges Verfahren entwickelt, heißt es in einem Artikel auf der Website der Virginia Tech.

Die Technik wird immer anspruchsvoller, sodass beispielsweise medizinische Geräte aus äußerst starken Materialien gebaut werden müssen, weshalb Forscher jetzt auf den 3D-Druck mit Graphen setzen. Bisher konnte Graphen nur in Grundstrukturen oder 2D-gedruckt werden, wobei mehrere Versuche des 3D-Druckens unternommen wurden. Das reine Graphen war aber zu viskos, um mit dem Materialextrusion-3D-Druckverfahren gedruckt zu werden. Sogar als Verbundwerkstoff konnte Graphen nicht ganz einfach, aber doch mit dem stereolithographischen oder Lasersinterverfahren gedruckt werden. Erst vor Kurzem haben es MIT-Forscher geschafft, eine 3D-Graphenstruktur mithilfe eines 3D-Druckers zu erstellen.

3D-Druck vom stärksten Material auf der Erde

Jetzt haben auch die Ingenieure von Virginia Tech an einem Projekt gearbeitet, mit dem sie Graphenobjekte mit 3D-Druck herstellen konnten. Dadurch machten so einen bedeutenden Durchbruch, was die Anwendung von Graphen in der 3D-Druckbranche angeht. Graphen gilt als das stärkste Material auf der Erde und ist sogar zehnmal stärker als Stahl. Zudem hat es eine hohe thermische und Stromleitfähigkeit. 3D-gedruckte Graphenobjekte würden in bestimmten Branchen sehr begehrt sein – vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Bereich des Wärmemanagements, bei Katalyse und Sensoren sowie bei Batterien.

Graphenoktett auf Erdbeerblüte
Graphen zählt zu den stärksten Materialien der Welt (Bild © Virginia Tech).

Graphen besitzt eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Hexagonalgitter organisiert sind. Die aufeinandergestapelten Graphenblätter in einer dreidimensionalen Form bilden Graphit, das als Blei in Bleistiften bekannt ist, jedoch besitzt Graphit ziemlich schlechte mechanische Eigenschaften. Poröse Graphenstruktur ist als Graphen-Aerogel bekannt und hat bessere Eigenschaften. Jetzt sind Designer in der Lage eine Topologie zu erschaffen, die aus miteinander verbundenen Schichten aus Graphen besteht, die mit hoher Auflösung in jede gewünschte Form gebracht werden können.

Neues Verfahren ermöglicht 3D-Druck in Auflösung von bis zu 10 Mikrometer

Die komplexen Graphenstrukturen konnten zum ersten Mal dank dem Graphenoxid, einem Graphenvorläufer, erstellt werden, indem die einzelnen Schichten zu einem porösen Hydrogel vernetzt wurden. Durch Einfluss von Ultraschall auf das Graphenoxid-Hydrogel und der Zugabe von lichtempfindlichen Acrylatpolymeren konnte die gewünschte feste 3D-Struktur mittels Projektionsmikrostereolithographie erzeugt werden. Danach wurde die 3D-Struktur in einem Ofen zusammengeschmolzen, wobei ein leichtes und reines Graphen-Aerogel entstand.

Das Hauptergebnis erzielten die Forscher der Virginia Tech, indem Graphenstrukturen in einer feinen Größenordnung wie nie zuvor erzeugt wurden. Andere Verfahren ermöglichen das Drucken in einer Auflösung von bis zu 100 Mikrometer, doch die neue Technik ermöglicht das Drucken in einer Auflösung von bis zu 10 Mikrometer, wie in dem Artikel auf der Website der Virginia Tech nachzulesen ist. Dabei behält das Graphen weiterhin seine Haupteigenschaften.

Für viele Branchen würden 3D-gedruckte Graphenobjekte einige Probleme lösen oder auch die bestehenden Lösungen verbessern, da dieses Material mit seiner Stärke viele Vorteile mit sich bringt. Über die weitere Entwicklung dieses und anderer innovative 3D-Druckverfahren  bleiben Sie mit einem kostenlosen Abonnement des 3D-grenzenlos Newsletters informiert (hier abonnieren).

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