Chinesische Forscher der Zhejiang University haben mit 3D-Druck elektronische Schaltungen mit recycelbaren Flüssigmetall-Mikrogelen entwickelt. Dazu brachten sie Flüssigmetall-Mikrotröpfchen von Metallen wie Gallium in Mikrogelhüllen auf Alginatbasis. So entstand zum Beispiel ein 3D-druckbares NFC-Tag auf einem T-Shirt. Auch ein Einsatz im Weltraum ist denkbar.

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Zhejiang University LogoForscher der Zhejiang University haben 3D-gedruckte elektronische Schaltungen mit Flüssigmetall-Mikrogelen entwickelt. Das gelang ihnen durch die Einkapselung von Flüssigmetall-Mikrotröpfchen wie Gallium in Mikrogelhüllen auf Alginatbasis, wodurch eine 3D-druckbare und recycelbare Flüssigmetall-Mikrogel-Tinte (LMM) entstand. Die LMM-Tinte löst viele Verarbeitbarkeitsprobleme mit flüssigen Rohmetallen und das Drucken flexibler Elektronik auf vielen Oberflächen. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Liquid Metal Microgels for Three-Dimensional Printing of Smart Electronic Clothes„. Forscher aus den USA präsentierten im Vorjahr eine Methode für den 3D-Druck von flüssigem Metall.

Details zum 3D-Druck elektronischer Schaltungen mit Flüssigmetall-Mikrogelen

Flüssigmetalle wie Quecksilber oder Gallium sind Metalle, die ihren Schmelzpunkt um die Raumtemperatur haben. Quecksilber hat mit -38,8 °C einen niedrigeren Schmelzpunkt, ist giftig und somit für den Alltagsanwendung nicht tauglich. Der Schmelzpunkt von Gallium, ein Material, das auch in der Nähe von Menschen verwendet werden kann, liegt bei 29,8 °C.

Dank der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit ist Gallium deshalb ideal für leitfähige Komponenten. Es ermöglicht neue Anwendungen in flexiblen und elektronischen Schaltungen, Energiegeräten, tragbaren Gesundheitsüberwachungsgeräten und elektronischer Haut. Durch die hohe Oberflächenspannung kann Gallium schwer kontinuierliche, komplexe Muster bilden. Es ist schwierig, das flüssige Material in seiner reinen Form in Schaltkreise und andere hochpräzise Geräte zu strukturieren.

T-Shirt mit NFC-Tag
Sie druckten zu Testzwecken ein flexibles NFC-Tag in 3D auf die Vorderseite eines T-Shirts (im Bild: T-Shirt mit NFC-Tag)(Bild © Zhejiang University).

3D-druckbare LMM-Tinte

Die 3D-druckbare LMM-Tinte soll das ändern. Die Forscher rührten Gallium mit einer wässrigen Natriumalginatlösung, die Ga 3+ mit Natriumalginat vernetzt, um mikrogelbedeckte flüssige Metalltröpfchen zu bilden. Durch die Mikrogelhüllen verbesserte sich die Druckbarkeit der flüssigen Metalltröpfchen und konnten im 3D-Druckverfahren mit direkter Tinte genutzt werden. Erste Versuche zeigten, dass die LMM-Schaltungen nicht wirklich leitfähig waren, sich aber durch leichtes Dehnen aktivieren ließen. Das Dehnen bricht die nicht leitenden Alginatbindungen in der Tinte. Das Einfrieren und Pressen der 3D-gedruckten LMM-Schaltungen reaktiviert die 3D-gedruckten LMM-Schaltungen, wodurch sie auch in einer extremen Umgebung wie dem Weltraum genutzt werden könnte. Sie testeten die aktivierten 3D-gedruckten Schaltungen und merkten, dass sie viele der für flexible Elektronik wesentlichen Eigenschaften aufwiesen. Sie waren sehr leitfähig, boten eine signifikante Widerstandsreaktion auf Dehnung mit kleiner Hysterese und eine große Haltbarkeit gegenüber nicht planaren Kräften.

LMM-Tinte wird mit wässrigen Gallium- und Natriumalginatlösung gemischt
Die LMM-Tinte wird mit wässrigen Gallium- und Natriumalginatlösung gemischt (im Bild zu sehen)(Bild © Zhejiang University).

Beispielanwendung von 3D-gedrucktem NFC-Tag auf T-Shirt

Um herauszufinden, was mit dem 3D-Drucker hergestellte Schaltungen auf unkonventionellen Oberflächen wie Stoffen leisteten, druckten sie ein flexibles NFC-Tag in 3D auf die Vorderseite eines T-Shirts. Das Tag kommuniziert mit Smartphones, um einen benutzerdefinierten Code auszuführen, der automatisch eine Website öffnete. Die Kombination aus kostengünstiger LMM-Tinte und den Vorteilen durch 3D-Druck  könnten laut dem Team eines Tages standardisierte E-Kleidungsanwendungen für personalisierte Gesundheitsüberwachung, taktile Sensorik und Mensch-Computer-Interaktion ermöglichen.

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