Multimaterialdrucker für die schnelle Herstellung flexibler, intelligenter Geräte

• Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur), Panasonic Factory Solutions Asia Pacific Pte. Ltd. (Panasonic) und das Singapore Centre for 3D Printing (SC3DP) haben einen neuen Multimaterialdrucker entwickelt.
• Er verwendet Hochleistungslaser mit mehreren Wellenlängen für den schnellen und einfachen 3D-Druck von intelligenten, flexiblen Geräten.

Der Multimaterialdrucker arbeitet mit Lasern unterschiedlicher Wellenlängen. Diese lösen thermische und chemische Reaktionen aus, die gängige kohlenstoffbasierte Materialien (Polyimid und Graphenoxid) in eine neue Art hochporöses Graphen umwandeln. Die mit diesem neuen Graphen gedruckte Struktur ist nicht nur leicht und leitfähig, sondern lässt sich auch auf flexible Substrate wie Kunststoff, Glas, Gold und Gewebe drucken oder beschichten. Somit lassen sich flexible Geräte herstellen.

Elektronische Geräte und Komponenten bestehen traditionell aus starren Materialien, zum Beispiel Metallen, Silizium und Keramik. Jedoch gibt es ein wachsendes Interesse an der Entwicklung flexibler, tragbarer Elektronik, die sich biegen, verdrehen und leicht an verschiedene Oberflächen anpassen lässt.

Multimaterialdrucker für flexible Elektronik

Der Co-Leiter des Projekts, Associate Professor Murukeshan Vadakke Matham von der NTU School of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) und dem SC3DP, dem nationalen Exzellenzzentrum für 3D-Druck an der NTU, sagt: „Unser Projekt zielt darauf ab, einen Weg zu finden, neue Materialien wie organische Polymere und kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen in 3D zu drucken. Deren Eigenschaften erlauben es, sie auf flexible Substrate wie Kunststoffe oder Gewebe zu drucken oder zu beschichten, um somit flexible und dehnbare Schaltkreise zu schaffen.“

Assoc. Prof. Murukeshan, der auch Principal Investigator am National Additive Manufacturing Innovation Cluster (NAMIC) in Singapur ist, führt weiter aus: „3D-gedruckte flexible Elektronik ebnet den Weg für bequemere und mobilere tragbare Geräte, da sie leichter und kleiner sein kann. Wir können jetzt einzigartige Strukturen schaffen, die mit herkömmlicher starrer Elektronik bisher nicht möglich waren.“

3D-gedruckter Sensor für intelligentes Infusionssystem

Der neu entwickelte Multimaterialdrucker hat bereits das Interesse verschiedener Unternehmen geweckt. Dazu gehört auch der amerikanische multinationale Hersteller JABIL-MTI Penang.

Denn JABIL-MTI Penang beabsichtigt, 3D-gedruckte Elektronik auf Graphenbasis in ein intelligentes Infusionssystem zu integrieren. Ein Prototyp eines kostengünstigen Beutels für intravenöse (IV) Flüssigkeiten mit einem eingebetteten gedruckten Sensor, der künstliche Intelligenz nutzt, hat den Nachweis des Konzepts erbracht. Das Gerät überwacht dabei den Status der Infusion, reguliert Parameter wie Druck, Durchfluss und Temperatur. Es überträgt zudem die Informationen in Echtzeit an ein Smartphone. Somit kann das medizinische Personal aus der Ferne überwachen, steuern und Anomalien effizient erkennen.

Mit finanzieller Unterstützung von NAMIC testete das Forschungsteam darüber hinaus die Möglichkeit, 3D-gedruckte Komponenten in die Herstellung von Hochleistungselektronik wie Drucksensoren und Heizungen zu integrieren.

Flexibilität und Funktionalität

Das NTU-Panasonic-Team ist der Ansicht, dass der neu entwickelte Multimaterialdrucker ein Maß an Flexibilität und Funktionalität bietet, das von anderen ähnlichen Produkten auf dem Markt nicht erreicht wird. Nach Ansicht der Projektmitglieder hat denn auch die Innovation das Potenzial, den Bereich des 3D-Drucks umzugestalten und neue Möglichkeiten für neues Produktdesign und Innovationen zu eröffnen.

Das Projekt zwischen der NTU und Panasonic zur Entwicklung des neuen Multimaterialdruckers wurde 2016 mit Unterstützung des Singapore Economic Development Board (EDB) im Rahmen des Industrial Post-graduate Programme (IPP) gestartet. Im Laufe der Jahre hat das Projektteam zwei Patente angemeldet, an 11 internationalen Konferenzen teilgenommen sowie 11 Arbeiten veröffentlicht. Außerdem hat es drei Wissenschaftler und Ingenieure von Panasonic unterstützt, die an der NTU promoviert haben.

Versuche mit Komponenten im Rahmen der „Autonomen Fabrik“

Als nächsten Schritt hat Panasonic in seinem Forschungszentrum in Singapur eine neue Einrichtung für laserbasierte Fertigungssysteme etabliert, um im Rahmen der „Autonomen Fabrik“ — einem Panasonic-Konzept für intelligente Fabriken der Zukunft — weitere Versuche mit Komponenten zu ermöglichen, die mit dem Multimaterialdrucker entstehen. Die neue Einrichtung soll dann von Dr. Low und den Forschern Dr. Nicholas Tham und Dr. Joel Lim geleitet werden, die ebenfalls an dem gemeinsamen Projekt von NTU und Panasonic beteiligt waren.

Bild oben: (Obere Reihe, L-R) 3D-gedruckte Graphenstrukturen auf Glas- sowie flexiblen Gummisubstraten. (Untere Reihe, L-R) Die neu erstellte Graphenschicht auf einer Papier- und Siliziumunterlage. Credit: NTU Singapur

Weitere Informationen: https://www.ntu.edu.sg/ und https://pfsap.sg.panasonic.com

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