Purdue University: Kombination vom elektrischer Polung und 3D-Druck

Hersteller*innen von intelligenten medizinischen Geräten, intelligenten Robotern und anderen Produkten mit intelligenten Sensoren könnten ihr Gerätedesign und ihre Herstellung mit einer zum Patent angemeldeten Methode der Purdue University vereinfachen, die das piezoelektrische Polen von Filament und den 3D-Druck in einem einzigen Prozess kombiniert.

Traditionelle Sensormaterialien haben piezoelektrische Eigenschaften, sind jedoch nicht für den 3D-Druck geeignet. Polyvinylidendifluorid (PVDF)-Filament, das im 3D-Druck eingesetzt wird, hat schwache piezoelektrische Eigenschaften. Daher müssen elektrische Polungen in einer Nachbearbeitungsphase durchgeführt werden, was Zeit und Kosten erhöht.

Ein Team des Purdue Polytechnic Institute entwickelte das EPAM-Verfahren (Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing), das 3D-Druck und elektrische Polung vereint. Dies führt zur Ausrichtung der Dipole im PVDF-Filament während des Drucks, wodurch 3D-gedruckte Teile starke sensorische Fähigkeiten und individuelle Formen aufweisen und gleichzeitig Zeit und Geld gespart werden.

Robert Nawrocki, Assistenzprofessor am Purdue Polytechnic Institute, erklärte: “Während des EPAM-Prozesses werden durch das Strecken des geschmolzenen PVdF-Stabs die amorphen Stränge in der Filmebene neu angeordnet, und das angelegte elektrische Feld richtet die Dipole in dieselbe Richtung aus. Der EPAM-Prozess kann PVdF-Strukturen in freier Form drucken und die Bildung der β-Phase induzieren, die hauptsächlich für die piezoelektrische Reaktion verantwortlich ist.”

In Zusammenarbeit mit Jose M. Garcia-Bravo und Brittany Newell sowie Doktorand Jinsheng Fan druckten sie erfolgreich PVdF-Kraftsensoren mit einem 3D-Drucker für Fused Deposition Modeling und einem elektrischen Corona-Polungsaufbau.

“Die piezoelektrische Aktivität, gemessen in Picocoulomb pro Newton oder pC/N, wurde anhand der piezoelektrischen Ausgangsspannung berechnet”, so Nawrocki. “Die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität der mit EPAM gedruckten PVdF-Filme lag bei 47,76 pC/N und damit etwa fünfmal höher als die der ungedruckten 3D-Filme mit 9,0 pC/N. Die piezoelektrische Aktivität von nicht gepolten 3D-gedruckten PVdF-Filmen deutet darauf hin, dass der 3D-Druck ohne elektrisches Feld nicht zu einer Dipolausrichtung führt.”