Een nieuwe grens voor 3D-printen: draagbare apparaten met eigen voeding

Wanneer de meeste mensen denken aan draagbare apparaten, denken ze aan slimme horloges, slimme brillen, fitnesstrackers en zelfs slimme kleding. Deze apparaten, die deel uitmaken van een snelgroeiende markt, hebben twee dingen gemeen: ze hebben allemaal een externe stroombron nodig en ze vereisen allemaal veeleisende productieprocessen. Tot nu.

Yanliang Zhang, universitair hoofddocent lucht- en ruimtevaart en werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Notre Dame, en doctoraatsstudent Yipu Du hebben een innovatieve hybride printmethode ontwikkeld – een combinatie van multi-materiaal aerosoljetprinten en extrusieprinten – die zowel functionele als structurele materialen integreert in een enkel gestroomlijnd printplatform. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Nano-energie.

Zhang en Du hebben in samenwerking met een team aan de Purdue University onder leiding van professor Wenzhuo Wu ook een volledig bedrukt piëzo-elektrisch (zelfaangedreven) draagbaar apparaat ontwikkeld.

Met behulp van hun nieuwe hybride printproces demonstreerde het team rekbare piëzo-elektrische sensoren, die zich aanpassen aan de menselijke huid, met geïntegreerde tellurium nanodraad piëzo-elektrische materialen, zilveren nanodraadelektroden en siliconenfilms. De door het team geprinte apparaten werden vervolgens aan een menselijke pols bevestigd, waardoor handgebaren nauwkeurig werden gedetecteerd, en aan de nek van een persoon, waarbij de hartslag van het individu werd gedetecteerd. Geen van beide apparaten gebruikte een externe voedingsbron.

Piëzo-elektrische materialen zijn enkele van de meest veelbelovende materialen bij de vervaardiging van draagbare elektronica en sensoren, omdat ze hun eigen elektrische lading genereren door uitgeoefende mechanische belasting in plaats van door een stroombron.

Toch is het printen van piëzo-elektrische apparaten een uitdaging omdat het vaak hoge elektrische velden vereist voor polijsten en hoge sintertemperaturen. Dit verhoogt de tijd en kosten van het printproces en kan nadelig zijn voor omringende materialen tijdens sensorintegratie.

“Het grootste voordeel van onze nieuwe hybride printmethode is de mogelijkheid om een ​​breed scala aan functionele en structurele materialen in één platform te integreren”, aldus Zhang.

“Dit stroomlijnt de processen, vermindert de tijd en energie die nodig is om een ​​apparaat te fabriceren, terwijl de prestaties van geprinte apparaten worden gegarandeerd.”

Essentieel voor het ontwerp, zei Zhang, zijn nanogestructureerde materialen met piëzo-elektrische eigenschappen, die polijsten of sinteren overbodig maken, en de zeer rekbare zilveren nanodraadelektroden, die belangrijk zijn voor draagbare apparaten die aan bewegende lichamen zijn bevestigd.

“We zijn verheugd om het brede scala aan mogelijkheden te zien dat zich zal openen voor gedrukte elektronica en draagbare apparaten vanwege dit zeer veelzijdige afdrukproces”, aldus Zhang.