211service.com
Een batterij en een bionisch oor: een hint van de belofte van 3D-printen
De huidige 3D-printers kunnen over het algemeen alleen dingen uit één soort materiaal bouwen - meestal een plastic of, in bepaalde dure industriële versies van de machines, een metaal. Ze kunnen geen objecten bouwen met elektronische, optische of andere functies die de integratie van meerdere materialen vereisen. Maar recente ontwikkelingen in het onderzoekslaboratorium, waaronder een 3D-geprinte batterij en een bionisch oor, suggereren dat dit binnenkort zou kunnen veranderen.
Kracht inkt: Deze scanning-elektronenmicroscoopafbeelding toont een 3D-geprinte lithium-ionbatterij. Kleine spuitmondjes zetten anode- en kathode-inkten neer in de precieze architectuur. Het hier getoonde bedrukte product is ongeveer een millimeter aan elke kant en een halve millimeter hoog. Na het printen worden de elektroden gesinterd en verpakt.
Vorige maand onthulden onderzoekers wat volgens hen de eerste 3D-geprinte batterij ter wereld is, gemaakt van twee verschillende elektrode-inkten. Geleid door Jennifer Lewis , een professor in biologisch geïnspireerde engineering aan Harvard, gebruikte de groep kleine spuitmondjes om de anode- en kathode-inkt nauwkeurig af te zetten, die respectievelijk nanodeeltjes lithiumtitaanoxide en lithiumijzerfosfaat bevatten. In een papier in Geavanceerde materialen , beschreven de onderzoekers het afdrukken van oplaadbare batterijen op millimeterschaal, die kunnen worden gebruikt om dingen als kleine draadloze sensoren en medische apparaten van stroom te voorzien. De batterijen, die stuk voor stuk in enkele minuten kunnen worden bedrukt, lieten indrukwekkende elektrochemische prestaties zien.
Laag voor laag: Deze optische afbeelding toont een spuitmond met een diameter van 30 micrometer die lagen elektrode-inkt afgeeft.
Lewis' groep heeft de materialen en aangepaste printertechnologie ontwikkeld - inclusief een mondstuk dat functies kan printen zo klein als één micrometer - die nodig zijn om verschillende soorten functionele componenten te printen naast batterijen, waaronder elektroden en antennes gemaakt van inkten die metalen nanodeeltjes bevatten , en optische structuren gemaakt van foto-uithardbare harsen. Nu zij en haar collega's een palet van functionele inkten hebben gebouwd (haar groep heeft acht patenten) voor het digitaal printen van zowel 2D- als 3D-componenten, is de volgende stap om te proberen geïntegreerde elektronica te maken, zegt Lewis.
Terwijl het vele jaren kan duren voordat zoiets ingewikkelds als een smartphone kan worden geprint, zijn bepaalde 3D-geprinte elektronische producten misschien niet zo ver weg. Neem bijvoorbeeld hoortoestellen, zegt Lewis. Bedrijven printen al het plastic omhulsel dat in de oorholte van de drager zit. De elektronische componenten worden afzonderlijk geassembleerd en de apparaten gebruiken kleine batterijen die ongeveer elke zeven dagen moeten worden vervangen. Stel je voor dat je het hele hoortoestel zou kunnen 3D-printen, zegt Lewis. We kunnen printen op gebogen oppervlakken. De elektrische componenten en een oplaadbare batterij zoals de batterij die haar groep zojuist heeft gedemonstreerd, kunnen dus additief worden afgezet in de plastic omhulsel.
Mogelijkheden die voortvloeien uit de mogelijkheid om elektronische of optische materialen nauwkeurig te deponeren in 3D-geprinte objecten, zijn niet beperkt tot consumentenelektronica. In mei hebben onderzoekers van Princeton gemeld met behulp van een kant-en-klare 3D-printer om een door een computer ontworpen oor te produceren dat is gemaakt van echt weefsel met verweven elektronica, waaronder een opgerolde antenne en elektroden die zijn samengesteld uit een geleidend polymeer doordrenkt met zilveren nanodeeltjes. Om weefsel af te drukken, zaaiden de onderzoekers een geleiachtige matrix met rundercellen. De matrix gaf het bedrukte oor zijn vorm toen de cellen zich tot kraakbeen ontwikkelden.
De onderzoekers geven toe dat het oor, dat radiofrequenties kan detecteren, vooral dient als demonstratie. Maar het is niettemin het eerste voorbeeld van dit soort integratie van biologisch weefsel en elektronica, en suggereert een nieuwe op additieve fabricage gebaseerde benadering van tissue engineering.
Het 3D-geprinte oor en de batterij van Lewis - beide geproduceerd met printers die materiaal door een mondstuk extruderen - openen een venster op het potentieel van additieve fabricage voor het maken van dingen met meer dan één functie, zegt Richard Haag , directeur van de EPSRC Centrum voor innovatieve productie in additieve productie aan de Universiteit van Nottingham.
Echter, zegt Hague, als 3D-printen op de lange termijn indruk wil maken in een robuuste productiezin, zal het waarschijnlijker zijn via andere printtechnologieën, bijvoorbeeld geavanceerde machines die printkoppen gebruiken zoals die in conventionele inkjetprinters . Onderzoek in zijn centrum is gericht op het overwinnen van de substantiële materiaalgerelateerde obstakels voor het op deze manier printen van geleidende materialen.
Voorlopig onderzoekt de groep van Lewis manieren om zijn op extrusie gebaseerde printers op de markt te brengen, die functionele inkten kunnen printen door spuitmondjes zo klein als 100 nanometer en kunnen worden uitgerust met printkoppen die inkt uit meerdere grotere spuitmondjes tegelijkertijd kunnen afzetten. Ik denk dat er een weg is naar het maken van aangepaste componenten, zegt ze. Dat is tenminste onze visie.