Elektrotechnik: Forscher drucken mit Hydroprinting-Verfahren leitfähige Muster auf 3D-Strukturen

Bereits Ende des Jahres 2015 kündigten Forscher der Hebräischen Universität von Jerusalem die Gründung eines 3D- und Funktionsdruckzentrums an. Die Universität trat jetzt wieder in das 3D-Druck-Scheinwerferlicht und stellte einige innovative Forschungsarbeiten zu 3D-gedruckter Elektronik vor.

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In den letzten Jahren wurde der Fokus zunehmend auf die Fertigung von 3D-Strukturen, die mit leitfähigen Merkmalen ausgestattet sind, gelegt, besonders in Hinsicht auf das Internet der Dinge (IoT). Allerdings war es schwierig, auf manchmal unebenen Substraten Flüssigkeiten abzulagern. Dabei muss der Untergrund der Düse zugewandt sein, wobei auch nur ein Material gedruckt werden kann. Dies ist nicht nur zeitaufwändig, sondern sorgt manchmal für einen ungleichmäßigen Druck. Die Geräte sind so nicht reproduzierbar.

Professor Magdassi und weitere Forscher der Hebräischen Universität von Jerusalem sowie der Nanyang Technological University von Singapur veröffentlichten vor Kurzem unter dem Titel „Hydroprinting Conductive Patterns onto 3D-Structures“ ein Papier, welches ihre Methode zur Verwendung eines Hydrodruckprozesses zur Herstellung leitfähiger Schaltungen und Muster vorstellt. Zu den Autoren gehören neben Professor Magdassi Dr. Gabriel Saada sowie Avi Chernevousky von der Hebräischen Universität von Jerusalem und Dr. Michael Layani von der Nanyang Technological Universität.

3D-gedruckter Schaltkreis.
Ein gedruckter Schaltkreis mit LED-Lampen und weiteren Elementen. (Bild: © Dr. Michael Layani)

Das Hydroprinting-Verfahren wird oft eingesetzt, um Grafik-Designs auf unebenen Oberflächen zu drucken, die vor allem in der Automobilindustrie und bei der Herstellung von dekorativen Artikeln auftreten. Die Technologie kann dabei die Schwierigkeiten der Transfermethoden umgehen. In diesen Prozess sind keine Polymerschichten involviert, so dass es möglich ist, leitfähige Materialien direkt übereinander abzuscheiden.

Einsatzbereiche von Hydroprinting

Die neue Technologie wird ihre Anwendung in mehreren Bereichen, so unter anderem in der Soft-Robotik, im Bau biomedizinischer Geräte, in der 3D-Elektronik und bei der Herstellung von 3D-gedruckten Antennen für die Kommunikation finden.

Professor Magdassi äußerte sich zur neuen Technologie folgendermaßen: „Die Methode wird voraussichtlich zu wichtigen Anwendungen in den Bereichen biomedizinische Geräte und Internet of Things (IoT) führen. Als Proof-of-Concept wurde es bereits durch Hydroprinting Near Field Communication (NFC) Antennen auf gekrümmten Flächen wie beispielsweise Flaschen und 3D-gedruckten Objekten realisiert. Die Technologie wurde im jüngsten LOPE-C-Konferenzwettbewerb im Rahmen des Projekts „ReadSpot“ vorgestellt.

Das Hydroprinting-Verfahren im Detail

Es handelt sich um ein neuartiges und zugleich leichtes Verfahren zum Bedrucken von funktionellen leitfähigen Mustern auf 3D-Objekten unter Verwendung des Hydrodrucks. Dabei kommen Silber-Nanopartikel zum Einsatz. Die Silber-Nanopartikel-Tinte wird auf wasserlöslichen Polyvinylalkoholfilme aufgedruckt. Danach wird das bedruckte Muster Salzsäure-Dämpfen ausgesetzt und so gesintert. Danach werden elektrische Schaltungen bei geringer Temperatur (50 Grad Celsius) auf die verschiedenen 3D-gedruckten Strukturen und Materialien gedruckt. Die leitfähigen Muster werden auf harten 90-Grad-Winkeln hydroprimiert. Dabei kommt es zu einer schichtweisen Überlappung des Hydrodrucks. LED-Schaltungen und Heizungen können ebenfalls implementiert werden.

Schematische Darstellung der Hydroprinting-Methode.
Detaillierte Erklärung der Hydroprinting-Methode. (Bild: © Dr. Michael Layani)

„Um den Prozess zu veranschaulichen, wurde eine voll funktionsfähige Near Field Communication (NFC) Antenne auf ein gekrümmtes Objekt gedruckt, das wiederum erfolgreich mit einem Smartphone kombiniert wurde. Die Analyse der hydroprimierten Muster zeigt, dass der spezifische Widerstand 17,1 mal höher ausfällt als bei der Silbermasse, die bislang für diese Anwendung als am geeignetsten angesehen wird“, so die Forscher weiter.

Die Herstellung dauert nur wenige Minuten. Derzeit werden Experimente durchgeführt, um ganze optoelektronische Geräte zu bedrucken. Das Forscherteam entdeckte auch, dass sich ihre Methode auch zur Fertigung mehrschichtiger Schaltungen eignet.

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