Wissenschaftlern gelingt 3D-Druck von komplexen Graphitteilen mit 97%iger Reinheit

Ein Forscherteam der Rice University, Texas, hat eine neue Methode zur Herstellung komplexer Graphitstrukturen mittels Direct Ink Writing (DIW) 3D-Druck entwickelt.

Bei bisherigen Versuchen, mit Graphit 3D zu drucken, setzte man auf extrusionsbasierte Technologien. So wurde das Material in pulverförmiger Form in eine Polymermatrix integriert. Dadurch konnten 3D-Modelle gedruckt werden, die mechanisch stabil waren, aber oft nur zu weniger als 50 % aus Graphit bestanden. Aus diesem Grund bieten diese gedruckten Teile nicht die thermischen und elektrischen Eigenschaften von Graphit.

Um einen höheren Anteil von Graphit zu ermöglichen, entwickelten die Wissenschaftler der Rice University eine kolloidale 3D-druckbare Tinte aus Graphitpulver. Diese Mixtur ermöglicht den Druck von komplexen DIW-Teilen mit einer Reinheit von bis zu 97 %.

3D-Druck mit Graphit

Die hochkonzentrierte Graphittinte wurde durch Zugabe kleiner Mengen von Silikat-Nanoton (3 – 10 Gew.-%) in ein mit Graphitflocken gefülltes Wasserbad hergestellt. Der Nanoton wirkte letztlich als Bindemittel und sorgte dafür, dass die Graphitflocken gleichmäßig in der resultierenden Komposittinte verteilt wurden. Durch die Zugabe des Tons wurde auch die Viskosität des Materials deutlich erhöht, so dass es bei Raumtemperatur über DIW extrudierbar wurde. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass eine reine Graphit-Tinte die Düse des 3D-Druckers verstopft, während sie sich unter Druck ablöst.

Beim 3D-Druck waren die Auswirkungen des Nanoton-Additivs in den fertigen 3D-Strukturen sehr deutlich zu erkennen. Alle gedruckten Testobjekte der Studie wiesen eine ausgezeichnete strukturelle Stabilität auf und konnten ihr Eigengewicht problemlos tragen, obwohl sie geometrisch komplex waren. Selbst nach dem Trocknen an der Luft behielten die Teile ihre ursprüngliche Form bei, wobei die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, im Vergleich zu einer reinen Graphit-Tinte verbessert wurde.

Das Rice-Team hat seine Entwicklung bereits für mehrere Graphitanwendungen eingesetzt. Dazu gehören 3D-gedruckte Formen zum Gießen von Zinn, ein elektrischer Schaltkreis aus Graphit zum Beleuchten von LEDs und ein 3D-gedrucktes Heizelement, das Wasser zum Siedepunkt bringen kann.

Weitere Details der Studie findet man in dem Paper mit dem Titel “Three-dimensional printing of complex graphite structures“. Sie wurde gemeinsam verfasst von Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat, et al.