Neues metallisches Gel fügt dem 3D-Druck eine vierte Dimension hinzu

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Forscher der North Carolina State University haben ein neues, elektrisch leitfähiges Metallgel entwickelt, das mit kommerziellen 3D-Druckern verwendet werden kann. Das neuartige Druckmaterial leitet nicht nur Strom, sondern reagiert beim Trocknen auch auf Wärme, sodass es in einer vierten Dimension – der Zeit – drucken kann. In der Zeitschrift Matter wurde ein Artikel veröffentlicht, der die Verwendung dieses leitfähigen Gels im 3D- und 4D-Druck detailliert beschreibt.

Der 3D-Druck hat eine völlig neue Welt an Möglichkeiten eröffnet. Für Designer ist es einfacher denn je, Prototypen ihrer Produkte zu erstellen und zu testen, für Künstler die Erstellung individueller Formen und für Pädagogen die Erstellung von Modellen und Dioramen für ihr Publikum.

Doch der 3D-Druck war, zumindest mit den einfachen Geräten für den Heimgebrauch, weitgehend auf Kunststoff beschränkt. Metalle können 3D-gedruckt werden, der Prozess ist jedoch weitaus aufwändiger. Jetzt haben Forscher ein neues Metallgel entwickelt, das bei Raumtemperatur mit herkömmlichen Druckdüsen kompatibel ist.

„Der 3D-Druck hat die Fertigung revolutioniert, aber wir kennen keine früheren Technologien, die es ermöglichten, 3D-Metallobjekte bei Raumtemperatur in einem einzigen Schritt zu drucken“, sagt Michael Dickey, Mitautor des Artikels und des Artikels von Camille und Henry Dreyfus Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der North Carolina State University. „Dies öffnet die Tür zur Herstellung einer breiten Palette elektronischer Komponenten und Geräte.“

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Die Herstellung des Gels beginnt mit einer Lösung von in Wasser suspendierten Kupferpartikeln im Mikrometerbereich. Nach Zugabe einer kleinen Menge flüssiger Metall-Indium-Gallium-Legierung und gründlichem Mischen beginnen die flüssigen Metall- und Kupferpartikel so zusammenzukleben, dass sie in der wässrigen Lösung ein metallisches Gel-„Netzwerk“ bilden.

„Diese gelartige Konsistenz ist wichtig, weil sie eine ziemlich gleichmäßige Verteilung der Kupferpartikel im gesamten Material bedeutet“, sagt Dickey. „Das bewirkt zwei Dinge. Erstens bedeutet es, dass sich das Netzwerk von Partikeln verbindet, um elektrische Pfade zu bilden. Und zweitens bedeutet es, dass sich die Kupferpartikel nicht aus der Lösung absetzen und den Drucker verstopfen.“

Aufgrund seines Metallpartikel-in-Suspension-Designs verfügt das neue Gel auch über einige interessante Eigenschaften, die zum Drucken neuartigerer Strukturen genutzt werden können.

Wie die Forscher in ihrer neuen Arbeit berichten, erzeugt die Einwirkung von Wärme auf ein mit Gel bedrucktes Objekt während des Trocknens eine erhebliche Spannung im Material. Die durch diese beschleunigte Wasserverdunstung verursachte Belastung ist so groß, dass sie im Laufe der Zeit zu weiteren Formveränderungen führen kann – wodurch Zeit effektiv als vierte Dimension in den Druckprozess eingeführt wird.

„Letztendlich ist diese Art des vierdimensionalen Druckens – die traditionellen drei Dimensionen plus Zeit – ein weiteres Werkzeug, mit dem sich Strukturen mit den gewünschten Abmessungen erstellen lassen“, sagt Dickey. „Aber was wir an diesem Material am spannendsten finden, ist seine Leitfähigkeit.“

„Da die gedruckten Objekte letztendlich zu 97,5 % aus Metall bestehen, sind sie sehr leitfähig. Es ist offensichtlich nicht so leitfähig wie herkömmlicher Kupferdraht, aber es ist unmöglich, Kupferdraht bei Raumtemperatur in 3D zu drucken. Und was wir entwickelt haben, ist weitaus leitfähiger als alles andere, was gedruckt werden kann. Wir sind sehr gespannt auf die Bewerbungen hier.“

Um dies zu demonstrieren, druckten die Forscher mit ihrem Metallgel eine „leitende Spinne“. Auf einer ebenen Fläche gedruckt, sahen die Forscher, wie sich die Spinne langsam zu heben und zusammenzusetzen begann, während sie unter Erhitzen trocknete. Die resultierende Struktur behielt ihre Leitfähigkeit und konnte bei Anschluss an eine 6-Volt-Batterie zwei LED-„Augen“ zum Leuchten bringen.

„Wir sind offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um potenzielle Anwendungen zu erkunden, und freuen uns immer, mit potenziellen Kooperationspartnern über zukünftige Forschungsrichtungen zu sprechen“, fügt Dickey hinzu.

Referenz: Xing R, Yang J, et al. Metallische Gele für den leitfähigen 3D- und 4D-Druck. Gegenstand. 2023. doi: 10.1016/j.matt.2023.06.015

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung einer Pressemitteilung der North Carolina State University. Das Material wurde hinsichtlich Länge und Inhalt bearbeitet.