Forscher entwickeln neues Graphen-3D-Druckverfahren

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory sowie des Virginia Tech College of Engineering schlossen sich nun zusammen, um in Kooperation ein neues Verfahren für den 3D-Druck von Graphen zu entwickeln.

Graphen zählt zu einem der leistungsstärksten Materialien, welche in der Raum- und Luftfahrt, in der Energiespeicherung oder auch in der Isolierung zum Einsatz kommt. Auf Grund seiner vielen positiven Eigenschaften ist es nicht verwunderlich, dass stetig nach neuen Wegen gesucht wird, um Graphen künftig besser 3D-drucken zu können.

Das Material ist eine einzelne Schicht bestehend aus Kohlenstoffatomen, welche in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Werden mehrere dieser Schichten aufeinandergestapelt, nennt man die daraus resultierende Form Graphit. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus von Graphit weist dieses, trotz der starken Eigenschaften des Graphens, eher schlechte mechanische Fähigkeiten auf.

Diese Fähigkeiten können jedoch verbessert werden, indem die einzelnen Graphen-Schichten durch mit Luft gefüllte Poren voneinander getrennt werden. Durch diese luftgefüllten Poren behält die 3D-Struktur größtenteils die leistungsstarken Eigenschaften von Graphen und wird meist als “Graphen-Aerogel” bezeichnet.

Immer öfters hört man mittlerweile von Bemühungen seitens Forschern und Experten, um den 3D-Druck von Graphen zu verbessern beziehungsweise zu ermöglichen. Nun entwickelte auch ein Forscher-Team, bestehend aus Mitgliedern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sowie des Virginia Tech College of Engineering, ein neues 3D-Druck-Verfahren für dieses Material.

Bisher war es Forschern nur mithilfe von Direkttinte oder extrusions-basierten Methoden möglich, Graphen in eine stabile 3D-Struktur zu drucken. Trotz dieser Tatsache weist die Technik einige Nachteile auf, wie die Entwickler des neuen Graphen-3D-Druckverfahrens erläutern:

“Mit dieser Technik gibt es sehr begrenzte Strukturen, die Sie erstellen können, da es keine Unterstützung gibt und die Auflösung sehr begrenzt ist, so dass Sie keine Freiformfaktoren erhalten können”, sagte Xiaoyu “Rayne” Zheng, ehemaliger LLNL-Labormitarbeiter & jetziger Assistenzprofessor im Maschinenbau an der Virginia Tech. “Was wir getan haben, war, diese Graphenschichten mit hoher Auflösung in jede gewünschte Form zu bringen.”

Bereits vor drei Jahren wurde das Projekt zur Entwicklung des neuen 3D-Druckverfahrens gestartet. Unter Verwendung von Licht, einer als Projektionsmikro-Stereolithographie bekannten Methode, gelang es den Forschern schon damals Graphen in 3D zu drucken.

Projektions-Mikro-Stereolithographie nutzt ultraviolettes Licht, um ein Bild einer Teilschicht in ein lichtempfindliches flüssiges Harz zu projizieren. Der Einsatz dieser Methode ermöglichte es bereits, die Auflösung von 3D-gedruckten Graphen-Aerogelen von ca. 100 Mikrometer auf etwa 10 Mikrometer zu reduzieren.

Für das neue 3D-Druckverfahren nutzten die Forscher nun Graphenoxid, während die Schichten durch ein poröses Hydrogel vernetzt wurden. Dieses Gel wurde in weiterer Folge mit Ultraschall sowie der Zugabe von lichtempfindlichen Acrylatpolymeren aufgebrochen, um mit Hilfe der Projektionsmikro-Stereolithographie die gewünschte feste 3D-Struktur zu erzeugen, wobei das Graphenoxid in starren Ketten des Acrylatpolymers eingeschlossen war. Die finale Struktur wurde erreicht, indem die 3D-Struktur in einem Ofen platziert und die Polymere ausgebrannt wurden, wobei das Objekt miteinander verschmolz. Nach diesem Schritt bleibt ein reines sowie leichtgewichtiges Graphen-Aerogel zurück.

Wie Ryan Hensleigh, ein Sommerpraktikant am LLNL, berichtet, arbeiteten die Forscher über einen Zeitraum von zwei Jahren an der richtigen Zusammensetzung für dieses Vorhaben.

“Es ist ein bedeutender Durchbruch im Vergleich zu dem, was [bisher] gemacht wurde”, sagte Hensleigh. “Wir können auf fast jede gewünschte Struktur zugreifen.”

Auch Assistenzprofessor im Maschinenbau an der Virginia Tech, Xiaoyu “Rayne” Zheng, fügte hinzu:

“Wir konnten zeigen, dass Sie eine komplexe 3D-Architektur von Graphen erstellen können, während Sie gleichzeitig einige seiner eigentlichen Haupteigenschaften beibehalten”, sagte Zheng. “Normalerweise, wenn Sie versuchen, Graphen 3D zu drucken oder zu vergrößern, verlieren Sie die meisten der lukrativen mechanischen Eigenschaften, die in seiner Einzelblattform gefunden werden.”

Künftig möchten die Forscher diese Technologie noch weiter optimieren.