Piezokristalle aus dem 3D-Drucker

Maschinenbauer entwickeln neue Materialien

Forscher am Virginia Polytechnic Institute and State University haben piezoelektrisches Material mittels 3D-Druck hergestellt. Die gedruckten Kristalle wandeln Bewegungen, Stöße und Druck aus beliebigen Richtungen in elektrische Energie um. Xiaoyu “Rayne” Zheng, Assistenzprofessor für Mechanik, hat den Durchbruch gemeinsam mit seinem Team erzielt. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.

Titel und Abstract der Nature Materials-Publikation: “Dreidimensionaler Druck von piezoelektrischen Materialien mit definierter Anisotropie und Richtungsreaktion” –
“Piezoelektrische Koeffizienten werden durch die intrinsische Kristallstruktur des Ausgangsmaterials eingeschränkt. Hier beschreiben wir Design- und Fertigungswege zu bisher unzugänglichen Klassen von piezoelektrischen Materialien, die beliebige piezoelektrische Koeffizienten-Tensoren aufweisen. Unser Schema basiert auf der Manipulation von elektrischen Verschiebungskarten aus Familien von strukturellen Zellmustern. Wir setzen unsere Designs um, indem wir additiv Freiform-, Perowskit-basierte piezoelektrische Nanokompositen mit komplexen dreidimensionalen Architekturen herstellen. Das resultierende Spannungsverhalten der aktivierten piezoelektrischen Metamaterialien in einem bestimmten Modus kann selektiv unterdrückt, umgekehrt oder durch angelegten Stress verstärkt werden. Darüber hinaus erreichen diese elektromechanischen Metamaterialien hohe spezifische piezoelektrische Konstanten und eine anpassbare Flexibilität, indem sie nur einen Bruchteil ihrer Ausgangsmaterialien verwenden. Diese Strategie kann angewendet werden, um die nächste Generation intelligenter Infrastrukturen zu schaffen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von strukturellen und funktionellen Aufgaben zu erfüllen, einschließlich gleichzeitiger Stoßdämpfung und -überwachung, dreidimensionaler Druckabbildung und Richtungserkennung.”

Empfindliche Kristallgitter

Das neue Verfahren lässt Bauteile in beliebigen Formen und Größen zu die sich als Sensoren, Schwingungsmesser, Energiespeicher und in zahlreichen anderen Einsatzgebieten nutzen lassen. In natürlichen piezoelektrischen Kristallen ist die Orientierung der Atome festgelegt. Damit wirken sie nur, wenn Kräfte aus einer bestimmten Richtung einwirken. Zhengs Methode imitiert zwar deren Struktur – doch die Gitterstruktur habt die Richtungsorientierung auf. “Wir haben piezoelektrische Tinten entwickeln, die die Herstellung von hochempfindlichen Kristallgittern ermöglichen”, sagt Zheng. Diese werden Schicht für Schicht aufgetragen und an den Stellen, die übrigbleiben sollen, durch ultraviolettes Licht ausgehärtet. Die Tinten enthalten Nanokristalle aus piezoelektrischem Material, die in einer Flüssigkeit schwimmen, die wiederum auf ultraviolettes Licht reagiert.

Juni 2017: Ähnliche Veröffentlichung aus Finnland

Einen “Game Changer” nennt Advanced Materials ein neuartiges Material namens KNBNNO, das auf Basis einer Perowskit-Struktur Energie sowohl aus Licht, Wärme als auch durch mechanische Verformung gewinnen kann. Das haben Forscher der Universität Oulu einer Medienmitteilung der finnischen Hochschule folgend praktisch nachgewiesen. Die Stromgewinnung aus drei verschiedenen Erneuerbaren Quellen hat dem Team zufolge großes Potenzial, beispielsweise für Sensoren oder Wearables, wo sie langfristig Akkus sogar überflüssig machen könnte. (solarify.eu/dreifache-stromgewinnung-aus-neuem-material)

Update für alle piezoelektrischen Stoffe

Die piezoelektrischen Stoffe, die überall vorkommen, von unseren Handys bis hin zu musikalischen Grußkarten, können einer Medienmitteilung der Virginia Tech zufolge dank Zhengs Arbeit ein Update erhalten. Die piezoelektrischer Materialien können individuell so gestaltet werden, dass sie Bewegung, Schlag und Stress aus allen Richtungen in elektrische Energie umwandeln. “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.

Gedruckte flexible Folie aus piezoelektrischem intelligentem Material – Foto © H. Cui, Zheng Lab

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

Zhengs Team entwickelte ein Modell, das es ermöglicht, beliebige piezoelektrische Konstanten zu manipulieren und zu konstruieren, was dazu führte, dass das Material als Reaktion auf eintreffende Kräfte und Vibrationen aus jeder Richtung über eine Reihe von 3D-druckbaren Topologien elektrische Ladung 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.

Bruchteil des Durchmessers eines Haares gemessen

Das Team demonstrierte die 3D-Druckergebnisse 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 hat eine fünfmal höhere Empfindlichkeit 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 die Zeit und den Aufwand für die Entwicklung praktischer Materialien erheblich reduzieren”, sagte Shashank Priya, Associate Vice President for Research am Penn State und ehemaliger Professor für Maschinenbau an der Virginia Tech.

Huachen Cui (VT, Erstautor), Desheng Yao (VT, Co-Autor), Xiaoyu (Rayne) Zheng (VT), Ryan Hensleigh (VT, Co-Autor) – Foto © vtnews.vt.edu

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, von denen jeder eine Reihe von Leitungen und Anschlüssen aufweist”, sagt Huachen Cui, Doktorand bei Zheng und Erstautor des Nature Materials Paper. “Hier ist die Struktur selbst der Sensor – sie kann sich selbst überwachen.”

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