Piezoelektrische Materialien gibt es nur in wenigen definierten Formen und sie bestehen meist aus sprödem Kristall oder Keramik. Sie benötigen zur Herstellung meist einen Reinraum. Das Team um Xiaoyu Zheng am College of Engineering der Virginia Tech hat nun eine Technik entwickelt, um die Produktion in den 3D-Druck zu überführen.

Bisher wurden piezoelektische Materialien in komplexen Verfahren als Folien oder Blöcke hergestellt und nachträglich mit Elektronik verbunden. Der teure Prozess und die Sprödigkeit der Materialien schränken ihren Einsatz jedoch stark ein. Zhengs Team entwickelte ein Modell, dass es ihnen ermöglicht, beliebige piezoelektrische Konstanten zu manipulieren und zu konstruieren, sodass das Material als Reaktion auf eintreffende Kräfte und Vibrationen aus jeder Richtung über ein Reihe von 3D-druckbaren Topologien elektrische Ladungsbewegungen erzeugt.

Die 3D-gedruckten, flexiblen piezoelektrischen Materialien lassen sich um beliebige Krümmungen wickeln und sind so Kandidaten für die Entwicklung von Geräten zur Energiegewinnung aus Bewegung oder Stoß.

Die 3D-gedruckten, flexiblen piezoelektrischen Materialien lassen sich um beliebige Krümmungen wickeln und sind so Kandidaten für die Entwicklung von Geräten zur Energiegewinnung aus Bewegung oder Stoß. H. Cui, Zheng Lab, Virginia Tech

Im Gegensatz zu herkömmlichen Piezoelektrika, bei denen elektrische Ladungsbewegungen durch die intrinsische Kristallstruktur vorgegeben sind, kann der Anwender mit dem neuen Verfahren Spannungsreaktionen vorschreiben und programmieren, die sich in jede Richtung vergrößern, umkehren oder unterdrücken lassen. Damit existiert nun eine Entwurfsmethode und Druckplattform, um die Empfindlichkeit und Betriebsarten von piezoelektrsichen Materialien frei zu gestalten. Durch die Programmierung der aktiven 3D-Topologie können sie so gut wie jede Kombination von piezoelektrischen Koeffizienten innerhalb eines Materials erreichen. Damit lassen sich die Materialien als Wandler und Sensoren einsetzen, die nicht nur flexibel und stark sind, sondern auch auf Druck, Vibrationen und Stöße über elektrische Signale reagieren, die den Ort, die Größe und die Richtung der Stößen an jedem Ort dieser Materialien angeben.

Piezoelektrische Tinten

Das Team entwickelte eine Klasse hochempfindlicher piezoelektrischer Tinten, die sich mit ultraviolettem Licht zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen formen lassen. Die Tinten enthalten hochkonzentrierte piezoelektrische Nanokristalle, die mit UV-empfindlichen Gelen verbunden sind und eine Lösung bilden, die sich mit einem hochauflösenden digitalen 3D-Lichtdrucker drucken lässt. Das Material weist eine fünfmal höhere Empfindlichkeit auf als flexible piezoelektrische Polymere.

Die Fähigkeit, die gewünschten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erreichen, soll den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Entwicklung praktisch einsetzbarer Materialien erheblich reduzieren. Das Team hat intelligente Materialien gedruckt und demonstriert, die um gekrümmte Oberflächen gewickelt sind und sich an Händen und Fingern tragen lassen, um Bewegungen umzuwandeln und die mechanische Energie zu gewinnen. Die Architektur lässt sich so anpassen, dass sich beispielsweise als Energiegewinnungs-Lösung einsetzen lässt, indem sie sich um jede beliebige Krümmung wickeln lässt.

Die Anwendungen gehen weit über Wearables und Consumer-Elektronik hinaus. Zheng sieht die Technologie als einen Sprung in die Robotik, Energiegewinnung, taktile Sensorik und intelligente Infrastruktur, bei der eine Struktur beispielsweise vollständig aus Piezoelementen besteht.