Virginia Tech / Additive Fertigung Piezoelektrische Strukturen aus dem 3D-Drucker

3D-gedruckte flexible Schicht aus piezoelektrischem Material.
3D-gedruckte flexible Schicht aus piezoelektrischem Material.

Piezoelektrika sind sehr spröde, und es gibt sie nur in wenigen definierten Formen. Zudem müssen sie in einem Reinraum gefertigt werden. Mit einem neuen 3D-Druckverfahren der Virginia Tech lassen sich diese nun in beliebiger Form herstellen. Das macht ganz neue Anwendungen möglich.

Piezoelektrische Materialien sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Mittlerweile sind sie in allem Möglichen zu finden, einschließlich Smartphones und Musik-Grußkarten. Allerdings sind Reinräume und ein komplexes Verfahren nötig, um diese nach der Bearbeitung mit der Elektronik zu verbinden. Deswegen und weil Piezoelektrika inhärent spröde sind, blieben deren Einsatzmöglichkeiten jedoch erheblich eingeschränkt.

Xiaoyu (Rayne) Zheng, Assistenzprofessor für Maschinenbau am College of Engineering und Mitglied des Macromolecules Innovation Institute, und sein Team an der Virginia Tech haben ein Modell entwickelt, mit dem sie beliebige piezoelektrische Konstanten manipulieren und gestalten können. Dies führte dazu, dass das Material als Reaktion auf eintreffende Kräfte und Vibrationen aus jeder Richtung über eine Reihe von 3D-druckbaren Topologien elektrische Ladungen erzeugte. Ihre Ergebnisse haben nun in einem Online-Artikel auf Nature Materials vorgestellt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Piezoelektrika, bei denen die Grenzflächenkristalle die elektrischen Ladungsbewegungen vorgeben, können Anwender damit Bewegungen, Stöße und Beanspruchungen aus allen Richtungen in elektrische Energie umwandeln. Im Vergleich zu flexiblen piezoelektrischen Polymeren ist der Werkstoff fünfmal so empfindlich. Damit lassen sich eine neue Generation »intelligenter« Infrastrukturen und smarter Materialien für berührungsempfindliche Messaufgaben, Stoß- und Vibrationsüberwachung, Energy Harvesting und andere Anwendungen designen.

Was hinter dem Verfahren steckt

Ein Faktor bei der aktuellen Herstellung von Piezoelektrika ist der verwendete natürliche Kristall, dessen Atome eine festgelegte Ausrichtung haben. Zhengs Team hat einen Ersatzstoff entwickelt, der den Kristall nachahmt, jedoch erlaubt, die Gitterorientierung per Design zu verändern.

»Wir haben eine Klasse hochempfindlicher piezoelektrischer Tinten synthetisiert, die sich mit ultraviolettem Licht zu komplexen dreidimensionalen Strukturen formen lassen. Die Tinten enthalten hochkonzentrierte piezoelektrische Nanokristalle, die mit UV-empfindlichen Gelen verbunden sind. Diese bilden eine Lösung – eine milchige Mischung wie geschmolzener Kristall –, die wir mit einem hochauflösenden 3D-Drucker mit digitalem Licht drucken«, so Zheng.

Das Team demonstrierte 3D-Druckerzeugnisse, die Bruchteile des Durchmessers eines menschlichen Haares messen. »Wir können die Materialstruktur so verändern, dass sie flexibler wird. Damit können wir das Piezoelektrikum beispielsweise als Energy-Harvesting-Generatoren einsetzen, indem wir es um jede beliebige Krümmung herumwickeln«, betont Zheng. »Wir können es dick und leicht, steif oder energieabsorbierend gestalten. Unser Team hat daraus bereits Wearables wie Ringe und Einlegesohle gefertigt. Wir haben es auch schon in einen Boxhandschuh integriert, wo wir die Schlagkräfte erfassen und die körperliche Verfassung des Trägers überwachen können.«

Neue Anwendungen

Die Anwendungen gehen jedoch weit über Wearables und Unterhaltungselektronik hinaus. Zheng sieht die Technologie als Einstieg in die Robotik, Energy Harvesting, taktile Sensorik und »intelligente« Infrastruktur. Dabei besteht die Struktur vollständig aus diesem piezoelektrischen Material und kann Stöße, Vibrationen und Bewegungen erfasst, um diese zu überwachen und zu lokalisieren. Um seine Anwendbarkeit bei der Erkennung der Positionen von Stürzen sowie deren Stärke zu demonstrieren, hat das Team eine kleine »intelligente« Brücke gedruckt, die robust genug ist, um die Stoßenergie zu absorbieren. Darüber hinaus demonstrierte das Team den Einsatz eines intelligenten Messwertaufnehmers, der Schwingungssignale unter Wasser in elektrische Spannungen umwandelt.

»Will man die innere Festigkeit einer Struktur überwachen, verteilt man üblicherweise viele einzelne Sensoren über die gesamte Struktur, die jeweils mit einer Reihe von Leitungen und Anschlüssen versehen sind", sagt Huachen Cui, Doktorand bei Zheng und Erstautor der Arbeit. »Hier ist die Struktur selbst der Sensor – sie kann sich selbst überwachen.«

Originalpublikation

Huachen Cui, et al., Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response, Nature Materials 2019, DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1