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Der 3D-Drucker für Graphen kommt

Eine Umsetzung von Bauelementen auf Graphenbasis erfordert die präzise Strukturierung von Graphenschichten im Mikro- und Nanometerbereich. Somit stellt das dreidimensionale Drucken von Graphenstrukturen eine attraktive Herstellungsroute dar.
Der 3D-Drucker für Graphen kommt
Graphene ist eine dünne Schicht aus reinem Kohlenstoff. Im Wesentlichen besteht es aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Wabengitter miteinander verbunden sind. Es ist die dünnste bekannte Verbindung überhaupt sowie ein sehr effizienter Leiter von Strom und Wärme bei Raumtemperatur.

Während dieses außergewöhnliche zweidimensionale Material bereits Anwendung bei der Fertigung von elektronischen Bauelementen gefunden hat, suchen die Ingenieure nach einem 3D-Herstellungsverfahren. Diese Entwicklung ist von entscheidender Bedeutung, um Graphen in noch mehr Anwendungsbereichen einsetzen zu können. EU-finanzierte Forscher haben nun vor kurzem ein derartiges Verfahren entdeckt.

Es gibt bereits verschiedene Methoden zum dreidimensionalen Aufbau von Graphenmonolithen wie etwa Emulsion-Templating und Freeze-casting (gerichtetes Einfrieren von Partikelsuspensionen), aber diese sind auf das Bilden einfacher Formen beschränkt. Im Rahmen des GRAPES-Projekts (Graphene enhancement of the photocatalytic activity of semiconductors) verfolgten die Forscher einen anderen Ansatz.

Das Team verwendete Flocken aus chemisch modifiziertem Graphen, und zwar aus Graphenoxid (GO) und seiner reduzierten Form rGO, in Kombination mit einem reagierenden Polymer, um Formeln für Tinten und Pasten auf Wasserbasis zu erstellen. Diese Formulierungen wiesen die zur Filamentablagerung beim 3D-Drucken erforderlichen physikalischen Eigenschaften auf.

Als nächstes wurde das neue Material als ein Baustein zum Aufbau dreidimensionaler Strukturen mittels Direct Ink Writing. Dieses, auch als Direct Write Assembly bekannte Verfahren basiert auf der einem vordefinierten Computerentwurf folgenden kontinuierlichen Abscheidung eines Filaments. Die dreidimensionalen Strukturen wurden von unten nach oben Schicht für Schicht aufgebaut.

Da Graphen hydrophob ist, war es nicht realisierbar, die Tinten direkt auf Wasserbasis zu formulieren. Die Forscher verwendeten daher chemisch modifiziertes Graphen. GO kann in Wasser verarbeitet werden, um komplexe Architekturen aufzubauen. So können die GRAPES-Formulierungen mit 100 Mikrometer kleinen Düsen in 3D gedruckt werden.

Nach dem 3D-Drucken wurden die Strukturen thermisch behandelt, um sicherzustellen, dass alle höchst wünschenswerten Eigenschaften von Graphen erhalten bleiben. Zudem können die Drucke weitergehend – zum Beispiel mit Chemikalien oder durch elektrochemische Reduktion – manipuliert werden und die gewünschten Eigenschaften bleiben stets erhalten.

Das GRAPES-Verfahren wird in dem Artikel mit dem Titel Printing in three dimensions with graphene, der 2015 in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, im Detail beschrieben.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

3D-Druck, dreidimensionales Drucken, Graphen, Elektronik, reagierendes Polymer, responsives Polymer
Datensatznummer: 188711 / Zuletzt geändert am: 2016-10-26
Bereich: Industrielle Technologien
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