Graphen-basierte Nanokomposite für 3D-gedruckte elektronische Geräte
Das Rapid Prototyping ist als unkompliziertes, kosteneffektives Verfahren bekannt. Mit einem 3D-Drucker können Unternehmen den Prozess vom Entwurf bis zum Produkt verkürzen und dadurch erhebliche Kosten einsparen. Doch während das Verfahren selbst längst bestens bewährt ist, besteht bei den Werkstoffen durchaus noch Verbesserungsbedarf. „Die 3D-Drucktechnologie lässt sich gegenwärtig nach dem Werkstoff klassifizieren, der für den Druck von Prototypen verwendet wird. Thermoplaste wie ABS oder PLA gehören zu den gängigsten Werkstoffen: Sie sind einfach verformbar, besonders kosteneffektiv und aufgrund ihrer Verformbarkeit der bevorzugte Werkstoff für die additive Fertigung“, so Dr. Maria Sora, Forscherin auf dem Gebiet der Festkörperchemie am Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB). Die leichte Verformbarkeit ist jedoch nicht immer nur ein Pluspunkt. Sie kann sogar schnell in einen Nachteil umschlagen, da die Werkstoffbeständigkeit von einem Temperaturgradienten abhängt (d. h. einer physikalischen Größe, die beschreibt, in welche Richtung – und wie stark – sich die Temperatur an einem bestimmten Punkt am schnellsten verändert): Thermoplaste verlieren schnell ihren Nutzen, wenn Prototypen gedruckt werden müssen, die einen bestimmten Wärmewiderstand erfordern. Ihre mangelnde Leitfähigkeit schränkt ihre Verwendung noch weiter ein. Daher erscheint es naheliegend, dass Forscher nach neuen Werkstoffen mit besseren strukturellen und leitenden Eigenschaften suchen. Graphen bietet dank seiner hohen Leitfähigkeit, seiner mechanischen Stärke und seinen hierarchischen Porenstrukturen und porösen Kanälen ideale Voraussetzungen. „Die Idee wäre, dass man Graphen oder ein Graphenderivat verwendet und zugleich die Vorteile behält, die mit Thermoplasten in Verbindung gebracht werden, wie zum Beispiel die Verformbarkeit. Wir sind der Ansicht, dass Graphen-verstärkte Nanokompositwerkstoffe im 3D-Druck den Markt grundlegend verändern könnten“, erklärt Dr. Soria. Mithilfe von Fördermitteln im Rahmen des Projekts 3D-PRINTGRAPH (Graphene reinforce composites for 3D printing technology) widmet sich Dr. Soria einem zweijährigen Unterfangen, um Polymere mit dem niedrigsten Schmelzpunkt und geschichtetes Graphen für die Verwendung in künftigen 3D-Druckanwendungen miteinander zu „verschmelzen“. Wenn dieses Vorhaben gelingt, könnte das Projekt die Türen zur Herstellung elektronischer Geräte wie Batterien, Sensoren und Hochfrequenzantennen öffnen. „Die Synthese und Charakterisierung von PLA-, ABS-, PCL- und PCL-Diol-Kompositwerkstoffen mit Graphen, für die zunächst eine Graphen-Synthese erforderlich war, haben wir bereits durchgeführt. Dabei haben wir Graphit als Ausgangsstoff verwendet und durch Oxidation und die anschließende chemische Reduktion ein reduziertes Graphenoxid (rGO) mit graphenähnlichen Eigenschaften gewonnen. Dann haben wir die Kompositwerkstoffe mit einer Graphenbeladung von 4 % synthetisiert, was in allen Fällen zu Werkstoffen mit offensichtlicher Homogenität geführt hat“, erläutert Dr. Soria. Das Projekt wird zwar erst Ende August abgeschlossen sein, doch die neuen Kompositwerkstoffe zeigen gegenüber Polymeren ohne Graphenbeladung bereits jetzt eine bessere mechanische Stärke und einen verbesserten Wärmewiderstand. 4 % Graphen – der höchstmögliche Anteil, bei dem eine geeignete Viskoelastizität und Adhäsion im Endwerkstoff gewährleistet bleibt – reicht jedoch nicht aus, um die nötige Leitfähigkeit zu erreichen, wie die Forscher feststellten. „Nun müssen wir neue Möglichkeiten ausloten, mit denen die Polymer-Graphen-Mischung homogenisiert oder sogar der Graphen-Anteil in der Mischung erhöht werden kann, um den Kontakt zwischen den Graphenschichten zu gewährleisten und die Leitfähigkeit zu verbessern“, so Dr. Soria. Neben diesen Anstrengungen, die im Vordergrund des Projekts stehen, arbeitet Dr. Soria mit ihrem Team außerdem an der Entwicklung von Nanokompositen auf der Basis von photohärtbaren Polymeren und Graphen, um die Meilensteine des Projekts zu gewährleisten und die allgemeine Effektivität der Forschung zu verbessern. Dies unterstreiche die bahnbrechende Arbeit des Projekts noch weiter, merkt sie an. Wenn alles nach Plan verläuft, plant das Konsortium eine Zusammenarbeit mit Hewlett-Packard in Barcelona, um die entwickelten Graphen-Nanokomposite mit den dortigen 3D-Druckern zu testen.
Schlüsselbegriffe
3D-PRINTGRAPH, Nanokomposite, 3D-Druck, Graphen, leitfähig, Kompositwerkstoffe
