Neuartiges 3D-Druckverfahren ist ein Wendepunkt“ für die Entdeckung und Herstellung neuer Materialien

Mai 19, 2023
Neuartiges 3D-Druckverfahren ist ein Wendepunkt" für die Entdeckung und Herstellung neuer Materialien

Neues 3D Druckverfahren. Der altehrwürdige Edison’sche Versuch-und-Irrtum-Prozess der Entdeckung ist langsam und arbeitsintensiv. Dadurch wird die Entwicklung dringend benötigter neuer Technologien für saubere Energie und ökologische Nachhaltigkeit sowie für elektronische und biomedizinische Geräte behindert.

„Normalerweise dauert es 10 bis 20 Jahre, ein neues Material zu entdecken“, sagt Yanliang Zhang, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau an der University of Notre Dame.

„Ich dachte, wenn wir diese Zeit auf weniger als ein Jahr – oder sogar ein paar Monate – verkürzen könnten, wäre das ein Wendepunkt für die Entdeckung und Herstellung neuer Materialien.“

Jetzt hat Zhang genau das getan und ein neuartiges 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem sich Materialien auf eine Weise herstellen lassen, die mit der herkömmlichen Fertigung nicht vergleichbar ist. Bei dem neuen Verfahren werden mehrere Aerosol-Tinten aus Nanomaterialien in einer einzigen Druckdüse gemischt, wobei das Mischungsverhältnis der Tinten während des Druckvorgangs spontan verändert wird. Diese Methode – das so genannte kombinatorische Hochdurchsatzdruckverfahren (HTCP) – steuert sowohl die 3D-Architektur als auch die lokale Zusammensetzung der gedruckten Materialien und erzeugt Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften in mikroskaliger räumlicher Auflösung.

3D Druckverfahren: Seine Forschung wurde gerade in Nature veröffentlicht.

Das auf Aerosolen basierende HTCP ist äußerst vielseitig und lässt sich auf eine breite Palette von Metallen, Halbleitern und Dielektrika sowie auf Polymere und Biomaterialien anwenden. Es erzeugt kombinatorische Materialien, die wie „Bibliotheken“ funktionieren und jeweils Tausende von einzigartigen Zusammensetzungen enthalten.

Die Kombination von kombinatorischem Materialdruck und Hochdurchsatzcharakterisierung kann die Materialentdeckung erheblich beschleunigen, so Zhang. Sein Team hat diesen Ansatz bereits genutzt, um ein Halbleitermaterial mit überlegenen thermoelektrischen Eigenschaften zu identifizieren – eine vielversprechende Entdeckung für Anwendungen zur Energiegewinnung und Kühlung.

HTCP beschleunigt nicht nur die Entdeckung, sondern erzeugt auch funktionell abgestufte Materialien, die allmählich von steif zu weich übergehen. Dies macht sie besonders nützlich für biomedizinische Anwendungen, die eine Brücke zwischen weichem Körpergewebe und steifen tragbaren und implantierbaren Geräten schlagen müssen.

In der nächsten Forschungsphase planen Zhang und die Studenten in seinem Advanced Manufacturing and Energy Lab, maschinelles Lernen und von künstlicher Intelligenz gesteuerte Strategien auf die datenreiche Natur von HTCP anzuwenden, um die Entdeckung und Entwicklung einer breiten Palette von Materialien zu beschleunigen.

„In der Zukunft hoffe ich, einen autonomen und selbstfahrenden Prozess für die Entdeckung von Materialien und die Herstellung von Geräten zu entwickeln, damit sich die Studenten im Labor auf das Denken auf hohem Niveau konzentrieren können“, so Zhang.