US-Forscher haben eine schnellere und einfachere 3D-Drucktechnik für den Bau von Elektronik entwickelt

Die Ingenieure der University of California Los Angeles (UCLA) haben eine schnellere und einfachere 3D-Drucktechnik für den Bau von Elektronik entwickelt, wodurch die Herstellungszeit von Stunden auf wenige Minuten verkürzt werden konnte. Die Methode kann dazu verwendet werden, Elektronik in komplexe Formen in Mengen zu drucken, die für Antennen-Arrays, Prothesen, Sensoren und Roboter verwendet werden könnten. Eine Studie, die den Fortschritt detailliert beschreibt, wurde nun in Nature Electronics veröffentlicht.

Die meisten elektronischen Geräte, einschließlich Smartphones und Laptops, verwenden heute flache, zweidimensionale Elektronik für Komponenten wie interne Sensoren oder Antennen. Dreidimensionale Elektronik kann komplexere Formen haben und somit dabei helfen im Inneren der Geräte Platz zu sparen. Diese Formen können praktisch nur mit 3D-Druck hergestellt werden. Neben Platzeinsparung kann die Elektronik auch Produktleistung verbessern, indem zum Beispiel das Signal einer Antenne verstärkt wird.

Aktuelle 3D-Druckverfahren für die Elektronik verwenden primär mehrschichtige Tinten, die elektrisch leitfähig sind. Dieser mehrstufige Prozess kann mehrere Stunden oder sogar Tage dauern, bis ein größeres Objekt hergestellt wird. Darüber hinaus kann dieser Prozess nur einfache Formen hervorbringen. Beides sind Gründe, warum 3D-Elektronik nicht weit verbreitet ist.

Um dieses Paradigma zu ändern, haben Forscher der UCLA Samueli School of Engineering eine neue, zweistufige Methode entwickelt, die die Prozesszeit auf nur wenige Minuten verkürzt: Zunächst verwendete das Team einen einzigen optischen 3D-Drucker, um 3D-Formen mit vorprogrammierten elektrostatischen Ladungen zu strukturieren.

Dann tauchten die Forscher die gedruckten Teile in eine Lösung, die ein gelöstes Material enthält, wie z.B. elektrisch leitendes Kupfer. Innerhalb von Sekunden begann sich das Material zu strukturieren und an den entworfenen Formen zu haften.

Der neue Ansatz ist nicht nur viel schneller, sondern ermöglicht es auch, Elektronik mit komplexen Formen zu bauen, deren Details nur wenige Zehntel Millimeter klein sind.

“Unsere viel schnellere und einfachere Methode kann die Tür zur Integration neuer Klassen von 3D-Elektronik öffnen, wie z.B. leichtere, kompaktere Antennen für die nächste Generation von Smartphones und 5G-Kommunikation oder neue Klassen von Sensoren und intelligenten Materialien für Wearables”, sagte Xiaoyu “Rayne” Zheng, Hauptforscher der Forschung und Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik sowie Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA.

Die neue Methode könnte auch bei taktilen Sensoren in Ultraschallmaschinen und Weichkörperrobotern eingesetzt werden, sagte Zheng, der ein Forschungslabor leitet, das additive Herstellungstechniken mit intelligenten Materialien kombiniert.

Der Schlüssel für die sofortige Programmierung leitender Materialien in vordefinierte 3D-Merkmale liegt in der Nutzung elektrostatischer Anziehung – dasselbe Phänomen, das erklärt, warum ein Ballon nach dem Reiben an den Haaren an einer Wand klebt.

Um die Fähigkeiten ihrer neuen Technik zu demonstrieren, druckten die Forscher mehrere Geräte, darunter auch künstliche Fingerspitzen, die die Umrisse von Formen und Druckpunkten ertasten können. Der gitterartige Sensor hat Oberflächen- und Innenelektroden, die Formen erkennen, wenn sie zusammengedrückt werden.

Das Team baute auch ein 2 Zoll hohes, detailliertes Modell des Eiffelturms mit Elektroden, die durch die gesamte Struktur verlaufen, um zu zeigen, wie die Methode zur Herstellung von Elektronik mit komplexer Struktur eingesetzt werden kann.

Der neue Ansatz, so Zheng, könne auch mehrere Materialien in einem fertigen Produkt vereinen, was mit den bisherigen Methoden nicht möglich war. Dazu können magnetische Materialien, Halbleitermaterialien, Keramiken, Piezoelektrika, also Materialien, die beim Drücken elektrische Ladungen erzeugen, und Kohlenstoff-Nanoröhren, also aufgerollte Blätter aus Kohlenstoffatomen, gehören.