Hochauflösender 3D-Druck mit Graphen

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Weil Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs, sehr fest ist und sich überdies durch eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auszeichnet, sind 3D-gedruckte Bauteile aus diesem Material in bestimmten Branchen wie der Batteriefertigung, der Luftfahrt oder der Sensorik heiß begehrt.

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Weil Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs, sehr fest ist und sich überdies durch eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auszeichnet, sind 3D-gedruckte Bauteile aus diesem Material in bestimmten Branchen wie der Batteriefertigung, der Luftfahrt oder der Sensorik heiß begehrt.

Wissenschaftler an der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) und dem Lawrence Livermore National Laboratory haben eine neuartige Methode entwickelt, komplexe Objekte aus einem der leistungsfähigen Materialien, das in der Batteriefertigung und der Luftfahrtbranche zum Einsatz kommt, in 3D zu drucken.

Viel höhere Auflösung als bisher möglich

Bis jetzt ließ sich dieses Material, bekannt als Graphen, nur in 2D-Platten oder Grundstrukturen drucken. Aber die Virginia-Tech-Entwickler arbeiten nun an einem Projekt, das es erlauben würde, Graphen-Bauteile in einer viel höheren Auflösung zu drucken als bisher möglich. Das würde auch die Möglichkeit eröffnen, Graphen in jede erdenkliche Größe und Form zu bringen.

Graphen organisiert sich in einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen, die ein hexagonales Gitter bilden. Werden diese Schichten akkurat gestapelt und so in eine 3D-Form überführt, entsteht Graphit, wie es etwa in Bleistiften Verwendung findet.

Graphit als gepacktes Graphen hat dürftige mechanische Eigenschaften.  Aber trennt man die Graphenschichten mit luftgefüllten Poren, kann die dreidimensionale Struktur die ursprünglichen Eigenschaften beibehalten. Eine solche Struktur ist als Graphen-Aerogel bekannt.

Nun können ein Konstrukteur eine dreidimensionale Topologie aus miteinander verbunden Graphenschichten erstellen, so Xiaoyu “Rayne” Zheng, Assistant Professor am Department of Mechanical Engineering am College of Engineering und Leiter des  Advanced Manufacturing and Metamaterials Labs. Die neue Freiheit im Konstruieren und Fertigen werde die Festigkeit, die Leitfähigkeit, den Stofftransport, die Festigkeit und das spezifische Gewicht optimieren helfen, was mit Graphen-Aerogelen so nicht möglich sei.

Jede gewünschte Form in hoher Auflösung

Bisher konnten Forscher Graphen mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens drucken, ähnlich dem Auftragen von Zahnpasta, aber damit entstanden nur einfache Objekte „Mit diesem Verfahren kann man nur sehr eingeschränkte Konstruktionen schaffen, weil Stützstrukturen fehlen und die Auflösung ziemlich begrenzt ist, so man keine Freiformen umsetzen kann“, sagt Zheng. „Wir haben diese Graphenschichten dahin entwickelt, dass sie sich in jede gewünschte Form mit hoher Auflösung bringen lassen.“

Das Projekt startete vor drei Jahren, als Ryan Hensleigh, Hauptautor des Artikels und Macromolecular Science and Engineering Ph.D. Student, ein Praxissemester am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Kalifornien, absolvierte. Hensleigh begann mit Zheng zusammenzuarbeiten, damals ebenfalls am Lawrence Livermore National Laboratory. Als Zheng zur Virginia Tech wechselte, folgte auch Hensleigh, und beide setzten dort die Arbeit am Projekt fort.

Um die komplexen Strukturen zu erzeugen, nutzte Hensleigh Graphen-Oxid, einen Vorläufer von Graphen, und verschränkte die Platten zu einem porösen Hydrogel. Nach der Behandlung mit Ultraschall und dem Hinzufügen lichtempfindlicher Polyacrylate, ließ sich die Projektionsmikrostereolithografie einsetzen, um die erwünschten festen 3D-Strukturen mit dem in die langen steifen Polyacrylatketten eingebundenen Graphenoxid zu schaffen. Schließlich steckte Hensleigh die 3D-Struktur in den Ofen, um die Polymere auszubrennen und das Objekt zu verschmelzen, so dass am Ende ein reines und leichtes Graphen-Aerogel übrigblieb.

Ursprüngliche Eigenschaften des Graphens bleiben erhalten

„Wir haben Zugang zu so gut wie jeder gewünschten Struktur“, sagt Hensleigh. Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit, erschienen im Journal Materials Horizons, ist, dass sich Graphenstrukturen mit einer Auflösung um Größenordnungen feiner als jemals zuvor erschaffen lassen. Während andere Prozesse bis auf 100 Micron heruntergehen, erlaube das neue Verfahren eine Auflösung von 10 Micron, was schon der Größenordnung der Graphenplatten nahekomme, so Hensleigh.

Es sei möglich, eine komplexe, dreidimensionale Architektur mit Graphen zu bilden und dabei dennoch einige der herausragenden Eigenschaften des Materials zu erhalten, sagt Zheng. Das sei vorher nicht der Fall gewesen.

Zu den Co-Autoren gehören Huachen Cui, Doktorand in Zhengs Lab, und sechs Personen vom Lawrence Livermore National Laboratory: James Oakdale, Jianchao Ye, Patrick Campbell, Eric Duoss, Christopher Spadaccini ind Marcus Worsley.

Die Arbeit von Zheng und Hensleigh wird unterstützt vom Air Force Young Investigator Award (Dr. Jaimie S. Tiley) und der National Science Foundation (CMMI 1727492).

Publikation: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/MH/C8MH00668G#!divAbstract

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