3D-Drucker fädelt elektronische Fasern in Gewebe ein!

Das Potenzial für tragbare Elektronik geht weit über Smart-Watches hinaus, aber unsere aktuellen Optionen für Akkupacks und Leiterplatten sorgen nicht für die bequemsten E-Socken. Eine Lösung, die von Wissenschaftlern in China entwickelt wird, besteht darin, flexible Fasern einfach auf Übergangstextilien oder Kleidung zu drucken. Zum Beispiel druckten sie Muster, die Strom aufnehmen und in Textilien speichern können. Mit einem 3D-Drucker, der mit einer Koaxialnadel ausgestattet ist, zeichneten sie Muster, Bilder und Beschriftungen auf das Tuch und gaben ihm die Möglichkeit, Bewegung in Energie umzuwandeln. Der Vorstoß erscheint am 27. März in Matter, einer neuen materialwissenschaftlichen Zeitschrift des Verlags Cell Press.

„Wir haben einen 3-D-Drucker mit einer selbstgebauten Koaxialdüse verwendet, um Fasern direkt auf Textilien zu drucken und gezeigt, dass sie für Energiemanagementzwecke eingesetzt werden können“, sagt Senior-Autor Yingying Zhang, Professor am Department of Chemistry der Tsinghua University. „Wir haben einen koaxialen Düsenansatz vorgeschlagen, da einachsige Düsen nur eine Farbe auf einmal drucken können, was die kompositorische Vielfalt und die Funktionsgestaltung von gedruckten Architekturen stark einschränkt.“

Zhang und ihre Kollegen fertigten ihre ersten 3D bedruckten E-Textilien mit zwei Tinten – einer Kohlenstoff-Nanoröhrenlösung zum Aufbau des leitfähigen Kerns der Fasern und Seide für die Isolierschicht (obwohl andere Labore Materialien wählen konnten, die sich hinsichtlich Flexibilität, Biokompatibilität und Wasserdichtigkeit anpassen). Mit den Farben gefüllte Injektionsspritzen wurden mit der Koaxialdüse verbunden, die auf dem 3D-Drucker befestigt wurde. Diese wurden verwendet, um vom Kunden entworfene Muster zu zeichnen, wie z.B. das chinesische Zeichen für PRINTING, das englische Wort SILK und ein Bild einer Taube.

Dieser Ansatz unterscheidet sich von anderen Gruppen, die manuell elektrische Komponenten, wie z.B. LED-Fasern, in Gewebe nähen, aber diese mehrstufigen Prozesse sind arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Die Stärke des Einsatzes eines 3D-Druckers besteht darin, dass er in einem einzigen Schritt vielseitige Funktionen in Stoffe einbauen kann. Der Ansatz ist zudem kostengünstig und einfach zu skalieren, da die Düse mit bestehenden 3D-Druckern kompatibel ist und die Teile ausgetauscht werden können. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Auflösung des Druckbaren auf die mechanische Bewegungsgenauigkeit des 3D-Druckers und die Größe der Düsen beschränkt ist.

„Wir hoffen, dass diese Arbeit andere dazu inspirieren wird, andere Arten von 3D-Druckerdüsen zu bauen, die Designs mit reicher kompositorischer und struktureller Vielfalt erzeugen können, und sogar mehrere koaxiale Düsen zu integrieren, die multifunktionale E-Textilien in einem Schritt produzieren können“, sagt Zhang. „Unser langfristiges Ziel ist es, flexible, tragbare Hybridmaterialien und -elektronik mit beispiellosen Eigenschaften zu entwickeln und gleichzeitig neue Techniken für die praktische Herstellung intelligenter tragbarer Systeme mit integrierten Funktionen wie Erfassen, Betätigen, Kommunizieren usw. zu entwickeln.“


The potential for wearable electronics goes far beyond smart watches, but our current options for battery packs and circuit boards don’t make for the most comfortable E-socks. One solution, being developed by scientists in China, is to simply print flexible fibers on to transitional textiles or clothes. For example, they printed patterns that can harvest and store electricity onto fabrics. With a 3-D printer equipped with a coaxial needle, they drew patterns, pictures, and lettering onto cloth, giving it the ability to transform movement into energy. The advance appears March 27 in Matter, a new materials science journal from publisher Cell Press.

„We used a 3-D printer equipped with a home-made coaxial nozzle to directly print fibers on textiles and demonstrated that it could be used for energy-management purposes,“ says senior author Yingying Zhang, a professor in the Department of Chemistry at Tsinghua University. „We proposed a coaxial nozzle approach because single-axial nozzles allow only one ink to be printed at a time, thus greatly restricting the compositional diversity and the function designing of printed architectures.“

Zhang and her colleagues made their first 3-D printed E-textiles using two inks—a carbon nanontube solution to build the conductive core of the fibers and silkworm silk for the insulating sheath (although other labs could choose materials that adjust for flexibility, biocompatibility, and waterproofness). Injection syringes filled with the inks were connected to the coaxial nozzle, which was fixed on the 3-D printer. These were used to draw customer-designed patterns, such as Chinese characters meaning PRINTING, the English word SILK, and a picture of a pigeon.

This approach differs from other groups who are manually sewing electrical components, such as LED fibers, into fabrics, but these multi-step processes are labor intensive and time consuming. The strength of using a 3-D printer is that it can build versatile features into fabrics in a single step. The approach is also cheap and easy to scale, as the nozzle is compatible with existing 3-D printers, and the parts can be swapped. However, a drawback is the resolution of what can be printed is limited to the mechanical movement accuracy of the 3-D printer and size of the nozzles.

„We hope this work will inspire others to build other types of 3-D printernozzles that can generate designs with rich compositional and structural diversity and even to integrate multiple co-axial nozzles that can produce multifunctional E-textiles in one-step,“ Zhang says. „Our long-term goal is to design flexible, wearable hybrid materials and electronics with unprecedented properties and, at the same time, develop new techniques for the practical production of smart wearable systems with integrated functions, such as sensing, actuating, communicating, and so on.“

Source: https://techxplore.com/news/2019-03-d-printer-threads-electronic-fibers.html

 

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