Zeichnen statt extrudieren, eine Technik für den 3D-Druck flexibler Schaltungen
Ein Team der Universität Dalian in China hat ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das die Herstellung flexibler elektrischer Schaltungen verändern könnte. Mithilfe einer Technik, die sie Fluid Drawing Printing nennen, konnten sie hochpräzise leitende 3D-Strukturen erstellen. Indem sie die Perspektive ein wenig verschoben haben, konnten sie komplexe 3D-Verbindungen fertigen, ohne auf teure oder nicht skalierbare Verfahren zurückgreifen zu müssen.
Für diejenigen, die mit diesem Thema nicht vertraut sind: Leitende Strukturen sind der Weg, auf dem elektrischer Strom in einem Stromkreis fließt. Derzeit basiert der 3D-Druck dieser „Pfade“ auf der direkten Extrusion durch Nadeln unterschiedlicher Größe. Den Forschern zufolge sind der Auflösung dadurch erhebliche Grenzen gesetzt, da die Dicke der leitenden Drähte häufig durch den Innendurchmesser der Nadel bestimmt wird. Ihr Vorschlag basiert stattdessen darauf, die Strukturen zu zeichnen, anstatt sie zu extrudieren. Worin besteht der Unterschied? Und wie funktioniert diese neue Technik?
Multivibrator-Schaltung, gedruckt mit der Technik des Fluid Drawing Printing. (Bild: Li, Y., Wang, D., Feng, Y. et al.).
Im Gegensatz zur Direktextrusion von leitfähigen Strukturen, bei der das leitfähige Material durch eine Nadel gedrückt und auf ein Substrat aufgebracht wird, beruht die von dem chinesischen Team vorgeschlagene Technik auf einem anderen Prinzip. Bei dieser Technik wird das Filament vom Substrat, dem Träger, gestreckt, während die Nadel angehoben wird, wobei die Spannung im Material ausgenutzt wird. Dieser Perspektivenwechsel ermöglicht es, Fäden zu erzeugen, die dünner sind als der Durchmesser der Nadel selbst, was die Auflösung und die Kontrolle erhöht. Während die Extrusion durch die Düse begrenzt wird und vom Gleichgewicht zwischen Druck und Viskosität abhängt, lässt sich mit der neuen Technik die Dicke durch Temperatur, Geschwindigkeit und Druck präziser einstellen, ohne die Stabilität der Struktur zu beeinträchtigen.
Die Technik wurde mit Silber-Nanopartikeln (AgNPs) und Polyvinylpyrrolidon (PVP) getestet. Damit das Verfahren funktioniert, müssen die Tinten eine bestimmte Viskosität aufweisen. Daher verdampften die Forscher das Verbundlösungsmittel bei Temperaturen von 25 und 100°C. Durch die kontrollierte Erhöhung der Viskosität wird die Tinte zu einem idealen Material, um Strukturen zu „zeichnen“, ohne dass sie beim Drucken zusammenfallen. Nach diesem Prozess wurden die Strukturen einer Wärmebehandlung unterzogen, die die Leitfähigkeit verbesserte.
Links: die Methode des Fluid Drawing Printing. Rechts: die Phasen des 3D-Drucks mit dieser Technik. (Bilder: Li, Y., Wang, D., Feng, Y. et al.).
Die Methode ist nicht nur eine Laborkuriosität. Das Team demonstrierte seine Nützlichkeit durch die Herstellung funktionaler Schaltungen, darunter LEDs, Wärmebildanzeigen und Multivibratorschaltungen. In all diesen Fällen ersetzen oder ergänzen die 3D-gedruckten Strukturen traditionelle flache Layouts und ermöglichen kompaktere Designs. Die Technik ist mit verschiedenen flexiblen Substraten kompatibel, d. h. mit dem physischen Träger, auf dem elektronische Schaltungen oder Strukturen aufgebaut werden. Dies macht sie zu einer Option für die Herstellung von Wearables, biomedizinischen Geräten oder anderen Systemen mit komplexen Geometrien. Die Studie wurde in der Mai-Ausgabe der Zeitschrift Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht. HIER können Sie die gesamte Studie lesen.
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