Aerosol-Jet-3D-Drucker druckt elektronische Schaltkreise auf 3D-Objekte

Eine Forschungsgruppe der Iowa State University hat ein Verfahren entwickelt, um mittels Aeorosol-Jet-Drucks elektronische Schaltkreise auf gekrümmten Oberflächen und komplexe dreidimensionale Objekte aufbringen zu können. Das teilte die Universität am Mittwoch mit. Die Technik könnte dazu verwendet werden, um Elektronik platzsparend unterzubringen und Elektronikbauteile zu schaffen, die mit herkömmlichen, flachen Herstellungsmethoden nicht erstellt werden können.

Ein Aerosol-Jet-Drucker funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker. Er trägt Tinte zur Erstellung von elektronischen Schaltungen über winzige Tintentröpfchen auf. Die Erzeugung dieser Tintentröpfchen erfolgt über einen Gasstrom, der die Tinte zu einem feinen Nebel zerstäubt und mit einer Düse fokussiert. Die Tintentröpfchen lassen sich so äußerst präzise in softwaredefinierten Mustern aufbringen.

Um die Tinte auch auf dreidimensionalen Objekten aufbringen zu können, ist die Druckdüse an einem beweglichen Roboterarm befestigt, der sich computergesteuert über die 3D-Objekte bewegt. Zusätzlich können elektronische Bauelemente 3D-gedruckt werden.

Für den Druck kommen spezielle Tinten zum Einsatz. Ethan Secor, Maschinenbauprofessor an der Iowa State University, Leiter des Aerosol-Jet-Druckprojekts und Begründer des Start-ups Contour Circuits, das diese Technik zu kommerzialisieren versucht, hatte bereits zuvor Graphentinten für verschiedene Drucktechniken für Sigma-Aldrich entwickelt. Darunter befinden sich auch Graphentinten für den Druck flexibler Elektronik sowie für Anwendungen in der Flüssigmetallelektronik, für Mikrosuperkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien.

Für die Entwicklung des dreidimensionalen Drucks elektronischer Schaltungen hat Secor zusammen mit Wissenschaftlern aus den Fakultäten Elektrotechnik, Maschinenbau, Materialwissenschaften und Chemie zusammengearbeitet. Dadurch konnte die Expertise aus unterschiedlichen Bereichen wie etwa Materialwissenschaften, Hardware, Robotik, geometrischer Modellierung und computergestützten Methoden genutzt werden, um das Aerosol-Jet-Druckverfahren auf dreidimensionalen Strukturen anwenden zu können.

Kommerzialisierung der Technik

Damit die Technik überhaupt kommerziell angewendet werden und aus dem Labor heraustreten kann, braucht es jedoch zwei Dinge: einen konsistenten Herstellungsprozess und stabile gedruckte Bauteile. Secor und sein Team sind damit beschäftigt, dies voranzutreiben. Herausgekommen ist dabei bereits ein Sensor, mit dem der Druckprozess überwacht und dann gegebenenfalls automatisch korrigiert werden kann.

Mit einem Stipendium der US-amerikanischen National Science Foundation soll Secor und sein Team nun neues Tintenmaterial für gedruckte Elektronik erforschen, das auch extremen Bedingungen im Weltraum inklusive hoher und niedriger Temperaturen standhalten kann. Dabei ist eine besondere zusätzliche Herausforderung, bei dem 3D-Druck Ausfälle an den Schnittstellen zwischen Halbleitern und größeren Schaltkreisen zu vermeiden.

Die US-Weltraumbehörde NASA unterstützt die Kommerzialisierungsbemühungen von Secors Unternehmen Contour Circuits mit 150.000 US-Dollar. Er und seine Kollegen sollen die Technik weiterentwickeln. Die Wissenschaftler erforschen etwa, wie mehrere Materialien in einem Beschichtungsprozess gedruckt werden können. Das könnte es ermöglichen, eine bessere Kontrolle über die elektrischen und physikalischen Eigenschaften der gedruckten Bauteile zu erhalten.