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Verfahren zum 3D-Drucken von piezoelektrischen Materialien entwickelt

Kann für intelligente Materialien und selbstadaptive Infrastrukturen und Wandler verwendet werden

Virginia Tech

Interne Topologie von 3D gedruckten Piezoelektriken, die die Breite des menschlichen Haares überspannen

Photo by H. Cui of the Zheng Lab

Eine 3D gedruckte, flexible Energieerntemaschine

23.01.2019: Die piezoelektrischen Materialien, die alles von unseren Handys bis hin zu musikalischen Grußkarten besiedeln, können dank der diskutierten Ergebnisse ein Upgrade erhalten.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, Assistenzprofessor für Maschinenbau am College of Engineering und Mitglied des Macromolecules Innovation Institute, und sein Team haben Methoden zum 3D-Drucken piezoelektrischer Materialien entwickelt, die individuell gestaltet werden können, um Bewegung, Schlag und Stress aus allen Richtungen in elektrische Energie umzuwandeln.

"Piezoelektrische Materialien wandeln Dehnung und Spannung in elektrische Ladungen um", erklärte Zheng.

Die piezoelektrischen Materialien gibt es nur in wenigen definierten Formen und bestehen aus sprödem Kristall und Keramik - solche, die einen Reinraum zur Herstellung erfordern. Das Team von Zheng hat eine Technik entwickelt, um diese Materialien in 3D zu drucken, so dass sie nicht durch Form oder Größe eingeschränkt sind. Das Material kann auch aktiviert werden und bietet die nächste Generation intelligenter Infrastrukturen und intelligenter Materialien für taktile Abtastung, Stoß- und Vibrationsüberwachung, Energiegewinnung und andere Anwendungen.

Gibt mehr Freiheit, piezoelektrische Elemente zu entwickeln

Piezoelektrische Materialien wurden ursprünglich im 19. Jahrhundert entdeckt. Seitdem hat der Fortschritt in der Fertigungstechnik zu der Forderung nach Reinräumen und einem komplexen Verfahren geführt, das Folien und Blöcke herstellt, die nach der Bearbeitung mit der Elektronik verbunden werden. Der teure Prozess und die dem Material innewohnende Sprödigkeit haben die Fähigkeit, das Potenzial des Materials zu maximieren, eingeschränkt.

Zhengs Team entwickelte ein Modell, das es ihnen ermöglicht, beliebige piezoelektrische Konstanten zu manipulieren und zu konstruieren, so dass das Material als Reaktion auf eintreffende Kräfte und Vibrationen aus jeder Richtung über eine Reihe von 3D-druckbaren Topologien elektrische Ladungsbewegungen erzeugt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Piezoelektrika, bei denen elektrische Ladungsbewegungen durch die intrinsischen Kristalle vorgegeben werden, kann der Anwender mit dem neuen Verfahren Spannungsreaktionen vorschreiben und programmieren, die in jede Richtung vergrößert, umgekehrt oder unterdrückt werden können.

"Wir haben eine Entwurfsmethode und eine Druckplattform entwickelt, um die Empfindlichkeit und Betriebsarten von piezoelektrischen Materialien frei zu gestalten", sagte Zheng. "Durch die Programmierung der aktiven 3D-Topologie können Sie so gut wie jede Kombination von piezoelektrischen Koeffizienten innerhalb eines Materials erreichen und sie als Wandler und Sensoren verwenden, die nicht nur flexibel und stark sind, sondern auch auf Druck, Vibrationen und Stöße über elektrische Signale reagieren, die den Ort, die Größe und die Richtung der Stöße an jedem Ort dieser Materialien angeben."

3D-Druck von Piezoelementen, Sensoren und Wandlern

Ein Faktor bei der heutigen piezoelektrischen Herstellung ist der verwendete natürliche Kristall. Auf der atomaren Ebene ist die Ausrichtung der Atome festgelegt. Zhengs Team hat einen Ersatzstoff entwickelt, der den Kristall nachahmt, aber es ermöglicht, die Gitterausrichtung durch Design zu verändern.

"Wir haben eine Klasse hochempfindlicher piezoelektrischer Tinten synthetisiert, die sich mit ultraviolettem Licht zu komplexen dreidimensionalen Merkmalen formen lassen. Die Tinten enthalten hochkonzentrierte piezoelektrische Nanokristalle, die mit UV-empfindlichen Gelen verbunden sind, die eine Lösung bilden - eine milchige Mischung wie geschmolzener Kristall - die wir mit einem hochauflösenden digitalen 3D-Lichtdrucker drucken", sagte Zheng.

Das Team demonstrierte die 3D-Drucksachen in einem Maßstab, der Brüche des Durchmessers eines menschlichen Haares misst. "Wir können die Architektur so anpassen, dass sie flexibler wird, und sie beispielsweise als Energiegewinnungsgeräte einsetzen, indem wir sie um jede beliebige Krümmung wickeln", sagte Zheng. "Wir können sie dick und leicht, steif oder energieabsorbierend machen."

Das Material weist eine 5-mal höhere Empfindlichkeit auf als flexible piezoelektrische Polymere. Die Steifigkeit und Form des Materials kann abgestimmt und als dünnes Blech, das einem Gazeband ähnelt, oder als steifer Block hergestellt werden. "Wir haben ein Team, das sie zu tragbaren Geräten wie Ringen, Einlegesohlen verarbeitet und in einen Boxhandschuh einbaut, wo wir Aufprallkräfte aufzeichnen und die Gesundheit des Benutzers überwachen können", sagt Zheng.

"Die Fähigkeit, die gewünschten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erreichen, wird den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Entwicklung praktischer Materialien erheblich reduzieren", sagte Shashank Priya, Associate VP for Research am Penn State und ehemaliger Professor für Maschinenbau an der Virginia Tech.

Neue Anwendungen

Das Team hat intelligente Materialien gedruckt und demonstriert, die um gekrümmte Oberflächen gewickelt sind, an Händen und Fingern getragen werden, um Bewegungen umzuwandeln und die mechanische Energie zu gewinnen, aber die Anwendungen gehen weit über Wearables und Consumer Electronics hinaus. Zheng sieht die Technologie als einen Sprung in die Robotik, Energiegewinnung, taktile Sensorik und intelligente Infrastruktur, bei der eine Struktur vollständig aus piezoelektrischem Material besteht, die Stöße, Vibrationen und Bewegungen erfasst und deren Überwachung und Lokalisierung ermöglicht. Das Team hat eine kleine intelligente Brücke gedruckt, um zu demonstrieren, dass sie geeignet ist, die Positionen von Stürzen zu erfassen, sowie ihre Größe, während sie robust genug ist, um die Aufprallenergie zu absorbieren. Das Team demonstrierte auch die Anwendung eines intelligenten Aufnehmers, der Unterwasserschwingungssignale in elektrische Spannungen umwandelt.

"Traditionell, wenn man die innere Festigkeit einer Struktur überwachen wollte, müsste man viele einzelne Sensoren auf der gesamten Struktur platzieren, jeder mit einer Reihe von Leitungen und Anschlüssen", sagt Huachen Cui, Doktorand bei Zheng. "Hier ist die Struktur selbst der Sensor - sie kann sich selbst überwachen."

Originalveröffentlichung:
Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya & Xiaoyu (Rayne) Zheng; "Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response"; Nature Materials; 2019

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