Forschung: Forscher der ETH Zürich entwickeln mikroskopisches 3D-Druckverfahren für multimaterielle Elektronik

Schweizer Forscher der ETH Zürich haben nun ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem mikrometergroße Objekte aus mehreren Metallen mit hoher räumlicher Auflösung mit einem 3D-Drucker hergestellt werden können.

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Der 3D-Druck ist zu einem immer wichtigeren Produktionsverfahren geworden. Schweizer Forscher der ETH Zürich haben nun ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem mikrometergroße Objekte aus mehreren Metallen mit hoher räumlicher Auflösung mit einem 3D-Drucker hergestellt werden können.

Die neue „Electrohydrodynamic redox printing technique (EHD-RP)“ lagert direkt elektrisch geladene Metallionen ab, um die chemische Architektur von 3D-Druckstrukturen im Submikrometerbereich zu steuern, heißt es in dem Forschungspapier „Multi-metal electrohydrodynamic redox 3D printing at the submicron scale„.

Ralph Spolenak, Professor am Labor für Nanometallurgie der Materialwissenschaftlichen Fakultät, leitete die Entwicklung von EHD-RP, um den 3D-Metalldruck im mikroskopischen Maßstab voranzutreiben. Dies könnte nach Ansicht der Forscher zur Herstellung von extrem dünnen Verbindungsdrähten für Halbleiter führen.

Im Gegensatz dazu beinhaltet der Flüssigmetall-3D-Druck das Auflösen von Nanopartikeltinten für die Mikrofertigung. Das Team suchte nach einer direkteren Methode, bei der die Metalle nicht als Nanopartikel abgeschieden, sondern durch elektrisch geladene Metallionentröpfchen transportiert werden.

Details zum Verfahren

Multi-metal electrohydrodynamic redox 3D printing at the submicron scale
Das Bild zeigt die geometrische Leistung und aufgedruckte Mikrostruktur im Rahmen des Verfahrens „Multi-metal electrohydrodynamic redox 3D printing at the submicron scale“ (Bild ).

Die Ionen werden mit einer elektrischen Spannung zu einer Opferanode (einem hochaktiven Metall) in einer Druckdüse erzeugt. Anschließend werden die Ionen durch elektrische Kräfte in einem Lösungsmittel auf eine Druckoberfläche gesprüht und verlieren ihre elektrische Ladung. Mit EHD-RP können Metalle schnell so aufgebaut werden, dass sie sowohl dicht als auch dünn sind.

Herkömmliche Verfahren dieser Art sind tintenbasiert, d.h. das gewünschte Metall wird als Nanopartikel in einer Suspension gelöst und über eine Druckdüse an eine Oberfläche abgegeben. Ein Vorteil solcher Farben ist, dass sie mit einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden können, aber auch erhebliche Nachteile haben.

Um dieses Problem zu lösen, wählten die Forscher der ETH Zürich den direkten Weg: Die Metalle werden nicht mehr als Nanopartikel abgeschieden, sondern in Form von elektrisch geladenen Metallionen transportiert. Diese Ionen werden durch Anlegen einer elektrischen Spannung an eine „Opferanode“ erzeugt, die aus dem gewünschten Metall in der Druckdüse besteht. Die Ionen werden dann durch elektrische Kräfte in einem Lösungsmittel auf die Druckoberfläche gesprüht, wo sie ihre elektrische Ladung verlieren und sich als Metall wieder zusammensetzen.

Für die Zukunft plant das Team der ETH Zürich, das Spektrum der in EHD-RP verwendeten Metalle um magnetische Materialien zu erweitern. Dies wird auf die Herstellung von Photosensoren, 3D gedruckten integrierten Schaltungen und mechanischen Metamaterialien ausgerichtet sein. Derzeit wurden Kupfer, Silber und Gold getestet.

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