Elektroden aus dem 3D-Drucker: WYSS Institute entwickelt mit Partnern hybriden 3D-Druck und ermöglicht so Fertigung dehnbarer Elektronik

Der vom WYSS Institute der Harvard University und weiteren Forschern entwickelte Hybrid-3D-Druck ermöglicht den Präzisionsdruck dehnbarer leitfähiger Tinten. So ist es möglich, Sensoren einzusetzen, die einer regelmäßigen Bewegung standhalten.

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Logo Wyss InstituteMenschliche Haut kann sich biegen und strecken, um jeder Bewegung nachzugeben. Aber auch alle Kleidungsstücke, die eng am Körper getragen werden, müssen sich dehnen. Gleiches gilt für elektronische Geräte, die die Bewegung des Körpers verfolgen und Messungen vornehmen sollen. Bis jetzt konnten sich solche Komponenten nicht strecken. Das soll einer Pressemitteilung zur Folge die von Forschern des WYSS Institute der Harvard University, der Harvard’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences und des Air Force Research Laboratory entwickelte neue Hybrid-3D-Drucktechnik ändern. Diese Technologie kombiniert leitfähige Tinten und elektronische Komponenten und erstellt daraus flexible langlebige Geräte, die sich dem Körper optimal anpassen, jede Bewegung mitmachen und zugleich besser programmierbar sind.

3D-gedruckte hybride Elektronik
Die 3D-gedruckte Vorrichtung passt sich mitsamt den Elektroden an das Körperteil an (Bild © Alex Valentine, Lori K. Sanders und Jennifer Lewis / Harvard University).

„Mit dieser Technik können wir den elektronischen Sensor direkt auf das Material drucken, elektronische Komponenten platzieren und die leitfähigen Verbindungen ausdrucken, die die elektronischen Schaltkreise vervollständigen, die erforderlich sind, um das Datensignal des Sensors auf einen Schlag zu lesen,“ äußerte der erste Autor Alex Valentine, der als Ingenieur am WYSS Institute tätig war, als die Studie abgeschlossen wurde und derzeit an der Boston University Medizin studiert.

Bestandteile der Tinte

Die von den Wissenschaftlern entwickelte Tinte besteht aus thermoplastischen Polyurethan (TPU). Hierbei handelt es sich um einen flexiblen Kunststoff, dem Silberflocken beigemengt wurden. Zur Erzeugung des weichen anpassungsfähigen Substrates und der leitenden Elektroden werden sowohl reine TPU- als auch Silber-TPU-Tinten gedruckt.

„Da sowohl das Substrat als auch die Elektroden TPU enthalten, wenn sie schichtweise kopiert werden, haften sie vor dem Trocknen stark aneinander. Nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, verfestigen sich beide Tinten und bilden ein integriertes System, das sowohl flexibel als auch dehnbar ist“, so Valentine weiter. Der Druckvorgang sorgt dafür, dass sich die Silberflocken in der Tinte in Druckrichtung ausdehnen. Ihre flachen plattenartigen Seiten liegen ähnlich wie überlappende Blätter auf einem Waldboden übereinander. Das sorgt dafür, dass die Elektrizitität über die Elektroden weitergeleitet wird.

Vom WYSS Institute entwickelte Elektroden
Bei einer Bewegung oder Berührung leuchten die LEDs auf (Bild © Alex Valentine, Lori K. Sanders und Jennifer Lewis / Harvard University).

„Weil die Tinte und das Substrat 3D-gedruckt sind, haben wir die vollständige Kontrolle darüber, wie die leitfähigen Merkmale strukturiert sind, und können Schaltungen entwerfen, um weiche elektronische Geräte von nahezu jeder Größe und Form zu schaffen“, so Will Boley, Ph.D., Doktorand der Harvard’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Die aus leitfähigen Materialien bestehenden weichen Sensoren sind mit einem programmierbaren Mikrocontroller-Chip und einer Auslesevorrichtung verbunden, um die Daten zu übertragen und zu verarbeiten. Dazu kombinierten die Forscher die Sensoren mit einem digitalen „Pick-and-Place-Prozess“, der mittels Druckdüse ein leichtes Vakuum erzeugt. Durch diese Düse wird die Tinte normalerweise ausgegeben. Hier wird die Düse dazu genutzt, elektronische Komponenten aufzunehmen und auf die Substratoberfläche aufzubringen.

Die auf der Oberfläche montierten elektrischen Komponenten, zu denen beispielsweise LEDs, Widerstände und Mikrochips gehören können, hart und starr sind, wird unter jedes von ihnen ein Punkt TPU-Tinte aufgedruckt. Ist die Tinte getrocknet, verankert sie so die starren Komponenten und verteilt den Bewegungsstress über die gesamte Matrix. Dadurch lassen sich die Geräte um bis zu 30 Prozent dehnen. So konnte ein Modul, das aus 12 LEDs bestand, auf einem flachen TPU befestigt und wiederholt in eine zylindrische Form gebogen werden, ohne dass die Intensität des Lichts verringert oder gar ein Ausfall der Vorrichtung zu verzeichnen war.

Zur Demonstration dieses Systems hat das Forscherteam ein einfaches Proof-of-Concept entwickelt, dass es bei zwei weichen elektronischen Geräten demonstriert. Hier wurden TPU- und Silber-TPU-Elektroden auf textiles Material gedruckt und ein Mikrocontroller-Chip und Auslese-LEDs aufgebracht. So entstand eine tragbare hülsenähnliche Vorrichtung, die angibt, wie stark der Träger den Arm bewegt. Bei der zweiten Vorrichtung handelt es sich um einen Drucksensor, der die Form eines linken Fußabdrucks aufweist. Dieser wurde aus abwechselnden Schichten leitfähiger Silber-TPU-Elektroden und isolierendem TPU gefertigt. Mit diesem kann ein visuelles Wärmebild des Fußes erzeugt werden, sobald die Person auf den Sensor tritt. Die Forscher sind der Ansicht, dass dies ein erster wichtiger Schritt ist, kostengünstig und mechanisch robuste anpassbare und tragbare Elektronik zu fertigen.

WYSS Institute entwickelte Drucksensor mit Form einer Fußsohle
Dieser Drucksensor weist die Form einer Fußsohle auf und erzeugt unter Bewegung bzw. Berührung ein Wärmebild (Bild © Alex Valentine, Lori K. Sanders und Jennifer Lewis / Harvard University).

Das Forscherteam arbeitet weiter daran, die Materialien und Methoden zu optimieren. Gleichzeitig geht man davon aus, dass der Hybrid-3D-Druck auf die Herstellung vieler elektronischer Geräte Einfluss haben kann. „Wir haben sowohl die Palette der bedruckbaren elektronischen Materialien erweitert als auch unsere programmierbare, multimediale Druckplattform erweitert, um das digitale“ Pick-and-Place „der elektronischen Komponenten zu ermöglichen. Wir glauben, dass dies ein wichtiger erster Schritt ist, um eine anpassbare, tragbare Elektronik herzustellen, die kostengünstiger und mechanisch robust ist“, sagte Jennifer Lewis, Mitarbeiterin des WYSS Institute.

„Diese neue Methode ist ein großartiges Beispiel für die Art der interdisziplinären kollaborativen Arbeit, die das WYSS Institute von vielen anderen Forschungslabors unterscheidet“, äußerte der WYSS Gründungsdirektor Don Ingber, MD, Ph.D. „Durch die Kombination der physikalischen Präzision des 3D-Drucks mit der digitalen Programmierbarkeit von elektronischen Komponenten bauen wir buchstäblich die Zukunft.“

WYSS Institute Drucksensor
Ein solcher Sensor wird durch den hybriden 3D-Druck integriert (Bild © Alex Valentine, Lori K. Sanders und Jennifer Lewis / Harvard University).

Die Studie wurde unter dem Titel „Hybrid 3D Printing of Soft Electronics“ im Journal Advanced Materials veröffentlicht und kann von der Webseite kostenpflichtig heruntergeladen werden.

Auch in Zukunft darf man darauf gespannt sein, welche technischen Neuerungen das WYSS Institute und seine Forschungspartner auf den Markt bringen. Wir von 3D-grenzenlos werden zu gegebener Zeit in unserem Newsletter darüber berichten.

Auch finnische Forscher nutzten den 3D-Druck bereits zur Herstellung von Elektroden, die auf Bandagen aufgebracht werden und so für eine bessere Wundheilung sorgen sollen. Forscher der ETH Zürich nutzen das 3D-Druck-Verfahren Nanodrip zur Fertigung von Elektroden, die gegenüber herkömmlich hergestellten Elektroden eine größere Leitfähigkeit besitzen.

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