Wissenschaftlern gelingt der 3D-Druck komplexer Graphitteile mit einer Reinheit von 97 %

Ein Forscherteam der Rice University, Texas, hat eine neue Methode zur Herstellung komplexer Graphitstrukturen mithilfe des 3D-Drucks mit direktem Tintenschreiben (DIW) entwickelt.

Frühere Versuche zum 3D-Drucken mit Graphit beinhalteten üblicherweise die Integration einer pulverförmigen Form des Materials in eine Polymermatrix. Mithilfe extrusionsbasierter Technologien ist es dann zwar möglich, mechanisch stabile Strukturen zu erzeugen, die resultierenden Verbundwerkstoffe enthalten jedoch häufig nur weniger als 50 Gewichtsprozent Graphit. Daher bieten 3D-gedruckte Graphitteile bisher nicht wirklich die thermischen und elektrischen Eigenschaften, die reinen Graphit so wünschenswert machen.

Um das Problem anzugehen, entwickelten die Rice-Forscher eine kolloidale 3D-druckbare Tinte aus Graphitpulver und winzigen Mengen Ton, mit der komplexe DIW-Teile mit einer Reinheit von bis zu 97 % hergestellt werden konnten.

Graphit: das Mineral der Extreme

Graphit gilt als eines der nützlichsten Allotrope des Kohlenstoffs und hat eine ganze Reihe industrieller Anwendungen (ja, es ist mehr als nur Bleistiftmine).

Das Material verfügt über eine geschichtete, zweidimensionale Atomstruktur und ist ein wichtiger Bestandteil mehrerer Hochleistungsschmierstoffe. Graphit bietet außerdem eine hervorragende thermische und chemische Stabilität, die es ihm ermöglicht, den extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten, die für Tiegel aus geschmolzenem Metall und Kernreaktorkerne erforderlich sind. Darüber hinaus ist das Material aufgrund seiner bekanntermaßen hohen elektrischen Leitfähigkeit ein idealer Kandidat für Batterien, elektrische Kontakte und sogar flexible Elektronik.

Aufgrund der Herausforderungen der Hochtemperaturverarbeitung und der inhärenten Sprödigkeit des Materials ist die Herstellung komplexer geometrischer Teile aus Graphit mit herkömmlichen Synthesemethoden leider oft äußerst schwierig – ein Problem, das der 3D-Druck lösen kann.

So drucken Sie Teile aus 97 % Graphit in 3D

Die hochkonzentrierte Graphittinte wurde durch Zugabe kleiner Mengen Silikat-Nanoton (3–10 Gew.-%) zu einem mit Graphitflocken gefüllten Wasserbad formuliert. Der Nanoton fungierte letztendlich als Bindemittel und sorgte dafür, dass die Graphitflocken gleichmäßig in der resultierenden Verbundtinte verteilt waren. Durch die Zugabe des Tons wurde auch die Viskosität des Materials deutlich erhöht, wodurch es bei Raumtemperatur über DIW extrudierbar wurde. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass eine reine Graphittinte die Düse des 3D-Druckers verstopft und sich unter Druck ablöst.

Beim 3D-Druck waren die Auswirkungen des Nanoton-Zusatzstoffs in den endgültigen 3D-Strukturen deutlich zu erkennen. Alle gedruckten Testobjekte der Studie wiesen eine hervorragende Strukturstabilität auf und konnten trotz ihrer geometrischen Komplexität ihr Eigengewicht problemlos tragen. Selbst nach dem Trocknen an der Luft konnten die Teile ihre ursprüngliche Form behalten und hatten im Vergleich zu einer reinen Graphittinte eine verbesserte Fähigkeit, Energie zu absorbieren.

Das Rice-Team hat seine neuartige Formulierung mit einer Reinheit von 97 % bereits für mehrere Graphitanwendungen eingesetzt. Dazu gehören 3D-gedruckte Formen zum Gießen von Zinn, ein elektrischer Schaltkreis aus Graphit zum Beleuchten von LEDs und ein 3D-gedrucktes Heizelement, das Wasser zum Sieden bringen kann.

Weitere Details der Studie finden Sie in der Veröffentlichung mit dem Titel „Three-dimensional print of complex graphite structures“. Es wurde gemeinsam von Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat et al. verfasst.

Graphit und seine einschichtige Form, Graphen, sind Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten sowohl innerhalb als auch außerhalb des 3D-Drucksektors. Forscher der University at Buffalo haben kürzlich ein neues 3D-gedrucktes wasserreinigendes Graphen-Aerogel entwickelt, das für die groß angelegte Abwasserbehandlung geeignet ist. Das neuartige Material besteht aus einem styroporähnlichen Aerogel, gitterförmigem Graphen und zwei bioinspirierten Polymeren und ist in der Lage, Farbstoffe, Metalle und organische Lösungsmittel mit 100 % Effizienz aus dem Trinkwasser zu entfernen.

An anderer Stelle, am FAMU-FSU College of Engineering, entwickelten Wissenschaftler einen Parametersatz für den 3D-Druck graphenbasierter Strukturen mit optimierten Leitfähigkeiten. Nach einer Reihe von Testläufen stellte das Team fest, dass Faktoren wie Druckdruck und Düsendurchmesser zwar die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinflussten, seine Partikel jedoch bei bestimmten Druckgeschwindigkeiten auf eine bestimmte Weise ausgerichtet werden konnten.

Abonnieren Sie den Newsletter der 3D-Druckindustrie, um die neuesten Nachrichten zur additiven Fertigung zu erhalten. Sie können auch in Verbindung bleiben, indem Sie uns auf Twitter folgen, uns auf Facebook liken und den YouTube-Kanal der 3D-Druckindustrie einschalten.

Auf der Suche nach einer Karriere in der additiven Fertigung? Unter 3D-Druck Jobs finden Sie eine Auswahl an Stellen in der Branche.

Das abgebildete Bild zeigt Graphitstrukturen, die durch direktes Tintenschreiben in 3D gedruckt wurden. Bild über Rice University.

Kubi Sertoglu hat einen Abschluss in Maschinenbau und verbindet eine Affinität zum Schreiben mit einem technischen Hintergrund, um die neuesten Nachrichten und Rezensionen zur additiven Fertigung zu liefern.