Ein Forscherteam der National University of Singapore (NUS) hat eine innovative Technik namens CHARM3D entwickelt, mit der freistehende dreidimensionale (3D) Strukturen effizient gedruckt werden können. Diese Strukturen bieten eine hohe elektrische Leitfähigkeit, Selbstheilungsfähigkeiten und Recyclingfähigkeit, was einen erheblichen Vorteil für die Elektronik in den Bereichen Gesundheitswesen, Kommunikation und Sicherheit darstellt.
Berichtet hatte die NUS darüber in einem News-Beitrag auf ihrer Website, sowie in dem unten verlinktem Video, als auch im Wissenschaftsmagazin „Nature“ unter dem Titel „Tension-driven three-dimensional printing of free-standing Field’s metal structures„.
Vorteile dreidimensionaler Schaltkreise
Im Gegensatz zu herkömmlichen gedruckten Leiterplatten, die flach sind, ermöglichen 3D-Schaltkreise das vertikale Stapeln und Integrieren von Komponenten, wodurch der benötigte Platz für Geräte erheblich reduziert wird. Die NUS-Forscher, unter der Leitung von Associate Professor Benjamin Tee vom Department of Materials Science and Engineering der NUS College of Design and Engineering, haben eine hochmoderne Technik entwickelt, die als spannungsgesteuertes CHARM3D bekannt ist. Diese Technik ermöglicht es, freistehende metallische Strukturen ohne Stützmaterialien und externen Druck zu drucken.
Das Team nutzte Field’s Metall, um zu demonstrieren, wie CHARM3D eine breite Palette von Elektronikgeräten fertigen kann. Dies ermöglicht kompaktere Designs für Geräte wie tragbare Sensoren, drahtlose Kommunikationssysteme und elektromagnetische Metamaterialien. Im Gesundheitswesen erleichtert CHARM3D beispielsweise die Entwicklung von kontaktlosen Vitalzeichenüberwachungsgeräten, die den Patientenkomfort verbessern und eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen.
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Effiziente Herstellung von 3D-Schaltkreisen
Die direkte Tintenstrahlschrift (Direct Ink Writing, DIW) ist eine vielversprechende 3D-Drucktechnik, die derzeit zur Herstellung von 3D-Schaltkreisen verwendet wird. Sie weist jedoch erhebliche Nachteile auf, wie die Verwendung von Verbundtinten mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und die Notwendigkeit von Stützmaterialien. Die Viskosität der Tinten begrenzt zudem die Druckgeschwindigkeit.
Hier setzt Field’s Metall an, eine eutektische Legierung aus Indium, Bismut und Zinn. Diese Legierung schmilzt und erstarrt bei einer niedrigen Temperatur von 62 Grad Celsius, bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe Toxizität. Das CHARM3D-Verfahren nutzt die geringe Schmelztemperatur von Field’s Metall und die Spannung zwischen geschmolzenem Metall in einer Düse und der gedruckten Kante, um gleichmäßige, glatte Mikrostrukturen mit einstellbaren Breiten von 100 bis 300 Mikrometern zu erzeugen.
Im Vergleich zu herkömmlichem DIW bietet CHARM3D schnellere Druckgeschwindigkeiten von bis zu 100 Millimetern pro Sekunde und höhere Auflösungen, was eine höhere Detailgenauigkeit und Präzision bei der Schaltkreisfertigung ermöglicht. Diese 3D-Architekturen zeigen eine hervorragende strukturelle Beständigkeit, Selbstheilungsfähigkeiten und sind recycelbar.
Weitreichende Anwendungen
Die Forscher druckten erfolgreich einen 3D-Schaltkreis für tragbare, batterielose Temperatursensoren, Antennen für die drahtlose Überwachung von Vitalzeichen und Metamaterialien zur Manipulation elektromagnetischer Wellen. Diese Technologie eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von kontaktlosen Gesundheitsüberwachungssystemen bis hin zu fortschrittlichen Sicherheitssystemen.
„CHARM3D bietet eine schnellere und einfachere Methode zum 3D-Metalldruck für die fortschrittliche Elektronikfertigung und hat großes Potenzial für die industrielle Massenproduktion und die weitverbreitete Einführung komplexer 3D-Elektronikschaltkreise“, sagte Assoc Prof Tee.
Das Forschungsteam plant, diese Technik auf andere Metalle und strukturelle Anwendungen auszudehnen und sucht nach Möglichkeiten, diesen einzigartigen Ansatz für den Metalldruck kommerziell zu nutzen.
