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Wissenschaftler des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und des Labors von Dr. Jennifer Lewis an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben ein neues Hybrid-Verfahren zum 3D-Druck flexibler Elektronik entwickelt. Damit lassen sich programmierbare “Wearable Electronics” herstellen, die sich an die Bewegung des Körpers anpassen.
Mit dem additiven Fertigungsprozess werden flexible, leitfähige Tinten und Matrixwerkstoffe mit starren Elektronikkomponenten zu einer einer biegsamen Einheit verarbeitet.
“Mit diesem Verfahren können wir in einem Durchgang elektronische Sensoren direkt auf das Material drucken, Elektronikkomponenten digital mittels Pick-and-Place-Technik bestücken sowie leitfähige Verbindungen drucken, die den elektronischen Schaltkreis schließen und somit die Datensignale des Sensors auslesen können,” erklärt Alex Valentine, Erstautor der Studie “Hybrid 3D Printing of Soft Electronics” die in Advanced Materials veröffentlicht wurde.
Die flexible, leitfähige Tinte besteht aus Thermoplastischen Polyurethan (TPU) vermischt mit Silberplättchen. Bei dem Verfahren werden sowohl reines TPU als auch die Silber-TPU-Mischung verwendet um die unterste flexible Trägerschicht und die leitfähigen Elektroden zu drucken. Dadurch, dass beide Materialien TPU enthalten haften sie aufeinander bevor sie trocknen. Zudem ordnen sie die Silberplättchen während des Vorgangs in Druckrichtung so an, dass die Flächen übereinander liegen, womit die elektrische Leitfähigkeit entlang der gedruckten Elektroden verbessert wird.
“Da Tinte und Trägerschicht 3D-gedruckt werden, haben wir volle Kontrolle darüber, wo sich die leitenden Eigenschaften bilden und können so Schaltungen konstruieren um flexible elektronische Vorrichtungen jeder Größe und Form herzustellen,” fügt Will Boley, Mitarbeiter des Labors von Lewis am SEAS und Co-Autor der Studie.
Neben einer Düse zum Auftragen der Tinte wird eine weitere leere Düse verwendet, die durch leichten Unterdruck Komponenten mittels digitalem “Pick-and-Place-Prozess” auf den zuvor gedruckten Material platzieren kann. Bei den Komponenten handelt es sich um flexible Sensoren aus leitfähigen Materialien, die bei Bewegung Änderungen in ihrer Leitfähigkeit aufweisen. Diese sind mit einem programmierbaren Mikrocontroller-Chip für die Datenverarbeitung gekoppelt, sowie einem Auslesegerät, das die Daten in eine für den Menschen verständliche Form umwandelt.
Da elektrische Komponenten wie beispielsweise LEDs, Widerstände oder Mikrochips steif und fest sind, wird zusätzlich ein Tropfen TPU-Tinke unter jeder Komponente gedruckt, der die Spannung über die komplette Matrix verteilt. So können die fertigen Komponenten bis zu 30% gedehnt werden während ihre Funktion aufrecht erhalten bleibt.
Die Forscher haben zu Testzwecken ein TPU-Blatt mit 12 darauf verteilten LEDs hergestellt und dieses wiederholt in eine zylindrische Form biegen können, ohne dass sich die Intensität des LED-Lichts veränderte.
Ein weiterer interessanter Proof-of-Concept war der 3D-Druck eines tragbaren Ärmels, dessen angebrachte LED-Lichter bei der Biegung des Ellbogen aufleuchten (siehe Video).
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Derzeit arbeitet das Forscherteam an der Optimierung ihrer entwickelten Methode als auch den Materialien. Dr. Jennifer Lewis, Mitgründerin von Voxel8, sagt abschließend:
“Wir haben nicht nur die Palette an druckbaren Elektronikmaterialen erweitert, sondern auch unsere programmierbare, Multi-Material-Druckplattform so weiterentwickelt, dass sie mit der Pick-and-Place-Methode arbeiten kann. Wir glauben, dass dies ein bedeutender erster Schritt in Richtung maßgeschneiderter, tragbarer Elektronik ist, die sowohl erschwinglich als auch mechanisch robust ist.”
