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Pr\u00e4ziser, schneller, g\u00fcnstiger: Forschende in aller Welt arbeiten seit Jahren daran, elektrische Schaltungen mit additiven Verfahren wie Roboter-3-Druck (\u00abRobocasting\u00bb) herzustellen \u2013 mit grossem Erfolg, der mittlerweile allerdings zum Problem wird. Die Metallpartikel, die solche \u00abTinten\u00bb elektrisch leitf\u00e4hig machen, versch\u00e4rfen das Problem des Elektroschrotts. Zumal die Masse angesichts von neuartigen \u00abEinweg-Sensoren\u00bb, die teilweise nur einige Tage im Einsatz sind, k\u00fcnftig weiter steigen d\u00fcrfte.<\/p>\n\n\n\n
Unn\u00f6tige Verschwendung, findet Gustav Nystr\u00f6m, Leiter der Empa-Abteilung \u00abCellulose & Wood Materials\u00bb: \u00abEs besteht dringend Bedarf an Materialien, die ein Gleichgewicht zwischen elektronischer Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit herstellen.\u00bb Um eine umweltfreundliche Tinte zu entwickeln, setzte sich das Team um Nystr\u00f6m deshalb ehrgeizige Ziele: metallfrei, ungiftig, biologisch abbaubar. Und mit Blick auf praktische Anwendungen: gut verformbar und stabil gegen\u00fcber Feuchtigkeit und moderater Hitze.<\/p>\n\n\n\n
Mit Kohlenstoff und Schellack<\/h3>\n\n\n\n
Als leitf\u00e4higes Material w\u00e4hlten die Forscher preiswerten Kohlenstoff, wie sie vor kurzem im Online-Wissenschaftsmagazin \u00abscientific reports\u00bb berichteten. Genauer: l\u00e4ngliche Graphitpl\u00e4ttchen, vermengt mit winzigen Russpartikeln, die den elektrischen Kontakt zwischen diesen Pl\u00e4ttchen herstellen \u2013 das alles in einer Matrix aus einem altbekannten Biowerkstoff: Schellack, der aus Ausscheidungen von Schildl\u00e4usen gewonnen wird. Fr\u00fcher wurde er f\u00fcr die Herstellung von Schallplatten verwendet; heute kommt er unter anderem als Lack f\u00fcr Holzinstrumente und Fingern\u00e4gel zum Einsatz. Seine Vorz\u00fcge entsprechen exakt dem Wunschprofil der Empa-Forscher. Und obendrein ist er in Alkohol l\u00f6slich \u2013 ein kosteng\u00fcnstiges L\u00f6sungsmittel also, das nach dem Auftragen der Tinte verdampft, damit sie trocknet.<\/p>\n\n\n\n
Trotz dieser Zutaten erwies sich die Aufgabe als anspruchsvoll. Denn gleich, ob beim einfachen Siebdruck oder mit modernen 3D-Druckern, muss die Tinte ein \u00abscherverd\u00fcnnendes\u00bb Verhalten aufweisen: Im \u00abRuhezustand\u00bb ist die Tinte eher z\u00e4hfl\u00fcssig. Doch im Moment des Druckens, bei dem sie einer seitlichen \u00abScherkraft\u00bb ausgesetzt ist, wird sie etwas fl\u00fcssiger \u2013 so wie eine nicht-tropfende Wandfarbe, die erst beim Auftrag durch die Kraft der Rolle eine weichere Konsistenz bekommt. Beim Einsatz in der additiven Fertigung wie dem 3D-Druck mit einem Roboterarm ist das jedoch besonders heikel: Eine zu viskose Tinte w\u00e4re zu z\u00e4h \u2013 wird sie beim Drucken aber allzu fl\u00fcssig, k\u00f6nnten sich die festen Bestandteile abtrennen und die winzige D\u00fcse des Druckers verstopfen.<\/p>\n\n\n\n
Tests mit realen Anwendungen<\/h3>\n\n\n\n
Um die Anforderungen zu erf\u00fcllen, t\u00fcftelten die Forscher intensiv an der Rezeptur f\u00fcr ihre Tinte. Sie testeten zwei Gr\u00f6ssen von Graphitpl\u00e4ttchen: mit 40 Mikrometern und mit 7 bis zu 10 Mikrometern L\u00e4nge. Auch beim Mischungsverh\u00e4ltnis von Graphit und Russ waren viele Varianten n\u00f6tig, weil zu viel Russ den Werkstoff spr\u00f6de macht \u2013 mit der Gefahr von Rissen beim Trocknen der Tinte. Durch die Optimierung der Formulierung und der relativen Zusammensetzung der Komponenten konnte das Team mehrere Varianten der Tinte entwickeln, die in unterschiedlichen 2D- und 3D-Druckverfahren verwendet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
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\u00abDie gr\u00f6sste Herausforderung bestand darin, eine hohe elektrische Leitf\u00e4higkeit zu erreichen\u00bb, sagt der beteiligte Forscher Xavier Aeby, \u00abund gleichzeitig ein gelartiges Netzwerk aus Kohlenstoff, Graphit und Schellack zu bilden.\u00bb Wie sich dieses Material in der Praxis verh\u00e4lt, untersuchte das Team in mehreren Schritten. Zum Beispiel mit einem winzigen Testquader: 15 \u00fcbereinanderliegende Gitter aus dem 3D-Drucker \u2013 aus feinen Str\u00e4ngen mit nur 0,4 Millimetern Durchmesser. Das zeigte, dass die Tinte auch anspruchsvollen Verfahren wie dem Robocasting gen\u00fcgt.<\/p>\n\n\n\n
Um die Eignung f\u00fcr reale Bauteile nachzuweisen, konstruierten die Forscher unter anderem einen Sensor f\u00fcr Verformungen: ein d\u00fcnner PET-Streifen mit aufgedruckter Tintenstruktur, deren elektrischer Widerstand sich bei unterschiedlich starken Biegungen pr\u00e4zise \u00e4nderte. Daneben zeigten Tests auf Zugfestigkeit, Stabilit\u00e4t unter Wasser und andere Eigenschaften vielversprechende Resultate \u2013 und so ist das Forscherteam zuversichtlich, dass sich der neue Werkstoff, der bereits patentiert ist, in der Praxis bew\u00e4hren k\u00f6nnte. <\/p>\n\n\n\n
\u00abWir hoffen, dass dieses Tintensystem f\u00fcr Anwendungen in der nachhaltigen gedruckten Elektronik verwendet werden kann\u00bb, sagt Gustav Nystr\u00f6m, \u00abzum Beispiel f\u00fcr Leiterbahnen und Sensorelemente in intelligenten Verpackungen und biomedizinische Ger\u00e4te oder im Bereich Lebensmittel und Umweltsensorik.\u00bb<\/p><\/blockquote>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Intelligente Verpackungen mit Sensoren, die etwa Nahrungsmittel wie Gem\u00fcse auf langen Transportwegen \u00fcberwachen, sind ein Zukunftstrend. Doch solche \u00abEinweg-Elektronik\u00bb, die in Massen gedruckt wird, macht auch Probleme: Metalle in Drucktinten sind teuer \u2013 und ihre umweltgerechte Entsorgung ist aufw\u00e4ndig und versch\u00e4rft das Problem des Elektroschrotts. Eine neue L\u00f6sung von Empa-Forschern soll hier Abhilfe schaffen. Pr\u00e4ziser, […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"Empa-Forscher entwickeln neuartigen Werkstoff aus leitf\u00e4higen Bio-Tinten f\u00fcr den 3D-Druck","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[11579,10608,12257,19595],"supplier":[506],"class_list":["post-102576","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","tag-3ddruck","tag-biooekonomie","tag-biopolymere","tag-farbe","supplier-eidgenoessische-materialpruefungs-und-forschungsanstalt-empa"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/102576","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=102576"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/102576\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=102576"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=102576"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=102576"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=102576"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}