Forscher aus Japan und Singapur haben ein neuartiges 3D-Druckverfahren entwickelt, mit der sie präzise Muster auf den Außen- und Innenflächen von 3D-Kunststoffstrukturen erzeugen können. Damit soll der 3D-Druck von Schaltkreisen mit Anwendungen in einer Vielzahl von Technologien möglich sein und zum Beispiel 3D-Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen mit komplexen Formen möglich machen. Wir stellen das so genannte Multi-Material-Digital-Light-Processing-3D-Druckverfahren einmal vor.

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Forscher der japanischen Waseda University und Forscher aus Singapur haben laut einer Pressemitteilung eine neuartige 3D-Druck-Technik entwickelt. Mit dieser können sie präzise Muster auf den Außen- und Innenflächen von 3D-Kunststoffstrukturen erzeugen. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht es, 3D-Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen mit komplexen Formen anzufertigen. Mit dieser Methode soll der 3D-Druck von Schaltkreisen mit Anwendungen in einer Vielzahl von Technologien, darunter 3D-Elektronik, Metamaterialien, flexible tragbare Geräte und Metallhohlelektroden möglich sein.

Multi-Material-Digital-Light-Processing-3D-Druckverfahren

3D-Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen sind vielseitig einsetzbar, darunter in intelligenter Elektronik, Mikro-/Nanosensorik, Geräten für das Internet of Things (IoT) und sogar dem Quantencomputing. Werden Vorrichtungen mit diesen Strukturen aufgebaut, dann steht dabei mehr Gestaltungsfreiheit zur Verfügung und die hergestellten Objekte können komplexere Merkmale, eine komplexere Geometrie und zunehmend kleinere Größen aufweisen. Bisherige Methoden dafür sind teuer und kompliziert. Das Multi-Material-Digital-Light-Processing-3D-Druckverfahren (MM-DLP3DP) ermöglicht den 3D-Druck von Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen mit beliebig komplexen Formen.

MM-DLP3DP-Prozess Ablauf und Einsatzmöglichkeiten
Forscher aus Japan und Singapur haben eine neue additive Metall-Kunststoff-Hybridfertigung entwickelt (im Bild: MM-DLP3DP-Prozess Ablauf und Einsatzmöglichkeiten) (Bild © Waseda University).

Die Hauptautoren erklärten bei der Erläuterung der Motivation hinter der Studie, die in ACS Applied Materials & Interfaces unter dem Titel „New Metal–Plastic Hybrid Additive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns on External and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures“ veröffentlicht wurde:

„Roboter und IoT-Geräte entwickeln sich rasant weiter. Daher muss sich auch die Technologie zu ihrer Herstellung weiterentwickeln. Obwohl die vorhandene Technologie 3D-Schaltungen herstellen kann, ist das Stapeln von flachen Schaltungen immer noch ein aktives Forschungsgebiet. Wir wollten dieses Problem angehen, um hochfunktionale Geräte zu schaffen, die den Fortschritt und die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft fördern.“

Der Ablauf

Druckbeispiele mit dem MM-DLP3DP-Prozess
Mit der neuen 3D-Druck-Methode sind Anwender in der Lage, präzise Muster auf den Außen- und Innenflächen von 3D-Kunststoffstrukturen zu drucken (im Bild: Beispiele)(Bild © Waseda University).

Der mehrstufige MM-DLP3DP-Prozess beginnt mit der Herstellung der aktiven Vorstufen, also Chemikalien, die nach dem 3D-Druck in die gewünschte Chemikalie umgewandelt werden können, da die gewünschte Chemikalie nicht selbst 3D-gedruckt werden kann. Um die aktiven Vorstufen herzustellen, werden lichtgehärteten Harzen Palladium-Ionen zugesetzt, wodurch das stromlose Plattieren (ELP) gefördert wird. Das ELP ist ein Verfahren, das die autokatalytische Reduktion von Metallionen in einer wässrigen Lösung beschreibt, um eine Metallbeschichtung zu bilden. Im nächsten Schritt werden mit der MM-DL3DP-Vorrichtung Mikrostrukturen hergestellt, die verschachtelte Bereiche des Harzes oder des aktiven Vorläufers enthalten. Diese Materialien werden direkt plattiert und mittels ELP mit 3D-Metallmustern versehen.

Die Forscher stellten einige Teile mit komplexen Topologien her, um die Fertigungstechnologien zu demonstrieren. Diese hatten komplexe Strukturen mit Verschachtelungsschichten aus mehreren Materialien, einschließlich mikroporöser und winziger Hohlstrukturen. Die kleinste Struktur war 40 μm groß. Das spezifische Metallmuster auf den Teilen konnte genau kontrolliert werden. Die Forscher stellten außerdem 3D-Leiterplatten mit komplexen Metalltopologien her, wie eine LED-Stereoschaltung mit Nickel und eine doppelseitige 3D-Schaltung mit Kupfer.

Die Forscher sagten:

„Mit dem MM-DLP3DP-Prozess können beliebig komplexe Metall-Kunststoff-3D-Teile mit spezifischen Metallmustern hergestellt werden. Darüber hinaus kann das selektive Induzieren einer Metallabscheidung unter Verwendung von aktiven Vorläufern Metallbeschichtungen von höherer Qualität liefern. Zusammen können diese Faktoren zur Entwicklung hochintegrierter und anpassbarer 3D-Mikroelektronik beitragen.“

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