3D-Drucker fädelt elektronische Fasern auf Textilien

Das Potenzial für tragbare Elektronik geht weit über Smartwatches hinaus, aber unsere aktuellen Optionen für Batteriepacks und Platinen sind nicht die bequemsten für E-Socken. Eine von Wissenschaftlern in China entwickelte Lösung besteht darin, flexible Fasern einfach auf Übergangstextilien oder Kleidung zu drucken. Beispielsweise druckten sie Muster, mit denen Strom auf Textilien gewonnen und gespeichert werden kann. Mit einem 3D-Drucker, der mit einer Koaxialnadel ausgestattet ist, zeichnen sie Muster, Bilder und Beschriftungen auf das Tuch und geben ihm die Möglichkeit, Bewegung in Energie umzuwandeln. Der Vormarsch erscheint am 27. März in Matter, einer neuen Zeitschrift für Materialwissenschaft des Verlegers Cell Press.

Zhang und ihre Kollegen stellten ihre ersten 3D-gedruckten E-Textilien aus zwei Tinten her – einer Lösung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, um den leitfähigen Kern der Fasern und die Seidenraupenseide für die Isolierhülle zu bilden (obwohl andere Labors Materialien wählen könnten, die sich hinsichtlich Flexibilität und Biokompatibilität anpassen und Wasserdicht sind). Injektionsspritzen, die mit den Tinten gefüllt sind, wurden mit der Koaxialdüse verbunden, die am 3D-Drucker befestigt wurde. Diese wurden verwendet, um vom Kunden entworfene Muster zu zeichnen, wie die chinesischen Schriftzeichen für Drucken, das englische Wort SILK und ein Bild einer Taube.

“Wir verwendeten einen 3D-Drucker, der mit einer selbst hergestellten Koaxialdüse ausgestattet war, um Fasern direkt auf Textilien zu bedrucken, und es wurde gezeigt, dass er für Energiemanagementzwecke verwendet werden kann”, sagt der leitende Autor Yingying Zhang, Professor an der Fakultät für Chemie am Tsinghua Universität. “Wir haben einen Ansatz für koaxiale Düsen vorgeschlagen, weil mit einaxialen Düsen immer nur eine Tinte gedruckt werden kann, was die Zusammenstellungsvielfalt und das Funktionsdesign gedruckter Architekturen stark einschränkt.”

Dieser Ansatz unterscheidet sich von anderen Gruppen, die manuell elektrische Komponenten, wie z. B. LED-Fasern, in Gewebe einnähen. Diese mehrstufigen Prozesse sind jedoch arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Die Stärke der Verwendung eines 3D-Druckers besteht darin, dass er in einem einzigen Schritt vielseitige Funktionen in Textilien einbauen kann. Der Ansatz ist zudem kostengünstig und einfach zu skalieren, da die Düse mit vorhandenen 3D-Druckern kompatibel ist und die Teile ausgetauscht werden können. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Auflösung dessen, was gedruckt werden kann, auf die mechanische Bewegungsgenauigkeit des 3D-Druckers und die Größe der Düsen beschränkt ist.

“Wir hoffen, dass diese Arbeit andere dazu inspirieren wird, andere Arten von 3D-Druckerdüsen zu bauen, die Konstruktionen mit vielfältiger Zusammenstellung und struktureller Vielfalt erzeugen können, und sogar mehrere koaxiale Düsen zu integrieren, die multifunktionale E-Textilien in einem Schritt erzeugen können.” Zhang sagt. “Unser langfristiges Ziel ist es, flexible, tragbare Hybridmaterialien und – elektronik mit beispiellosen Eigenschaften zu entwickeln und gleichzeitig neue Techniken für die praktische Herstellung von intelligenten, tragbaren Systemen mit integrierten Funktionen wie Erfassung, Antreiben und Kommunikatino bald zu entwickeln.”