Neues Verfahren für den 3D-Druck Kapton könnte Türen für gedruckte Elektronik öffnen

Ein multidisziplinäres Team des Macromolecules Innovation Institute (MII) von Virginia Tech ist Vorreiter bei einem neuen additiven Fertigungsprozess, der speziell für die Verarbeitung des Materials Kapton entwickelt wurde – eines der gefragtesten Materialien in der Luftfahrt- und Elektronikindustrie.

Das Verfahren ermöglicht den 3D-Druck von Strukturen aus Kapton, einem Polyimid, das außergewöhnliche thermische und elektrische Eigenschaften aufweist. Eine der wünschenswertesten Eigenschaften ist, dass es eine Degradationstemperatur von etwa 550 °C besitzt, sich nicht in Lösungsmitteln löst, es ist ein hervorragender elektrischer Isolator und beständig gegen ultraviolette Strahlung. Da die Moleküle des Materials rein aromatisch sind, das heißt, sie enthalten Ringe, die die Rotation einschränken, ist Kapton insgesamt ein sehr stabiles Material.

Timothy Long, Professor für Chemie und Direktor von MII, erklärte: „Kapton kann allen Arten von Umweltbelastungen standhalten: Strahlung, Hochtemperaturreagenzien und chemischen Reagenzien. Es ist eines dieser Moleküle, das in Bezug auf die Leistung das ultimative ist.“ Bis vor kurzem bestand die einzige Möglichkeit, mit Kapton zu arbeiten, darin, mit dünnen 2D-Platten zu arbeiten, sodass es für einige Anwendungen geeignet war (z. B. das Umwickeln eines Satelliten zur Isolierung) ) aber das Gesamtpotenzial einschränkten.

Im vergangenen Jahr gelang es Professor Long und anderen Forschern des College of Science und des College of Engineering, mit dem Material einen Durchbruch zu erzielen. Dabei wurden mithilfe eines Stereolithographie-Verfahrens Kapton mit 3D-Druck gedruckt.

Die Forscher eine zweite Art des 3D-Druckens von Kapton gefunden: einen Prozess, den sie Direct Ink Write (DIW) nennen. Dieser zweite Prozess, der kürzlich in einem Artikel in ACS Applied Materials & Interfaces beschrieben wurde, bietet dem Forschungsteam mehr Flexibilität bei der Herstellung von Kapton-Strukturen.

“Wenn Sie daran denken, eine Badewanne abzudichten oder einen Kuchen mit Zuckerguss zu dekorieren, ist DIW ein sehr ähnlicher Prozess”, erläuterte Daniel Rau, einer der Mitautoren der Studie und ein Doktorand im DREAMS Lab. “Da es so einfach ist, bietet DIW eine unglaubliche Flexibilität bei der Tinte, der Synthese und den Eigenschaften, die es hat.”

Mit dem DIW-Verfahren zeigten Teile, die aus Kapton gedruckt wurden, ähnliche Eigenschaften wie kommerzielle Kapton-Filme. Genauer gesagt, zeigte das gedruckte Material ähnliche mechanische Eigenschaften bis 400 °C und eine Degradationstemperatur von 534 °C, nur eine Handvoll weniger als kommerzieller Kapton welcher eine Degradationstemperatur von 550 °C besitzt.

Anwendungen für Kapton

Während das Stereolithographieverfahren besser für den 3D-Druck ganzer Objekte geeignet ist, ist das direkte Tintenschreiben besser für das Drucken mehrerer Materialien nebeneinander, sagt Rau.

“Alle verschiedenen additiven Fertigungsverfahren sind wie verschiedene Werkzeuge in der Werkstatt”, sagte Rau. “Sie haben Hämmer und das hat seine Stärken. Sie haben gesägt und das hat seine Stärken.”

Christopher Williams, Direktor des DREAMS Lab und Associate Director von MII, sagte, dass neben dem Multimaterialdruck auch Kapton direkt auf ein vorhandenes Material gedruckt werden kann, was mit der Stereolithographie nicht möglich ist.

“Sobald wir Kapton drucken konnten, fragten uns die Leute nach Anwendungsmöglichkeiten”, sagte Williams. “Die Antwort, die wir oft gaben, war gedruckte Elektronik, aber in der Stereolithographie ist dies eine Herausforderung. Diese neue Technik könnte dies wirklich ermöglichen, da wir gleichzeitig auf das gleichzeitige Drucken leitfähiger Materialien und diesen hervorragenden Isolator achten.”

Williams fügte hinzu, dass sie Kapton jetzt auch mit direktem Tintenschreiben auf gekrümmten Oberflächen drucken können.

Für die Stereolithographiestudie erstellte Jana Herzberger, Postdoc in der Long-Gruppe und andere Mitautorin der Studie, ein Vorläuferpolymer für Kapton in flüssiger Form. Die flüssige Version eignet sich nicht für das direkte Drucken mit Tinte, da sie nach dem Extrudieren aus dem Drucker ihre Form nicht beibehält. Stattdessen synthetisierte Herzberger eine Tinte, auch Harz genannt, mit einer Viskosität ähnlich der Erdnussbutter.