Blog

Jul 23, 2023

Drucken Sie 3D-Metallobjekte bei Raumtemperatur mit einem leitfähigen Metallgel

Ed Brown Professor Michael Dickey: Nun, das ist eine gute Frage. Die Wahrheit ist, dass ich einen wirklich guten Schüler hatte, der neugierig war und uns irgendwie dazu brachte, diesen Weg einzuschlagen. Aber es gibt ein bisschen Geschichte

Ed Brown

Professor Michael Dickey: Nun, das ist eine gute Frage. Die Wahrheit ist, dass ich einen wirklich guten Schüler hatte, der neugierig war und uns irgendwie dazu brachte, diesen Weg einzuschlagen. Aber es gibt ein bisschen Geschichte, die dem vorausgegangen ist. Unsere Gruppe beschäftigt sich seit etwa 15 Jahren mit flüssigen Metallen. Wenn ich Leuten von flüssigen Metallen erzähle, denken sie normalerweise an Quecksilber. Dabei handelt es sich jedoch tatsächlich um Metalle aus Galliumlegierungen.

Wenn man sich das Periodensystem ansieht, steht Gallium direkt unter Aluminium. Du erinnerst dich wahrscheinlich aus dem Chemie-Neulingsjahr daran, dass Dinge, die in derselben Spalte des Periodensystems stehen, wie Brüder oder Schwestern sind. Gallium und Aluminium sind sich also sehr ähnlich, außer dass Gallium einen sehr niedrigen Schmelzpunkt hat. Wir haben dieses Material untersucht und vor allem versucht, Möglichkeiten zu finden, es zu strukturieren, denn es ermöglicht uns, Dinge wie elektrische Schaltkreise herzustellen.

An der Oberfläche von Flüssigkeiten, einschließlich Wasser, führt die Oberflächenspannung typischerweise dazu, dass sie kugelförmige Formen bilden. Aber das flüssige Gallium hat eine seltsame Form. Der Grund dafür, dass es diese Form hat, ist, dass das Metall mit der Luft reagiert und ein Oxid bildet. Wenn man etwas Säure zu sich nimmt, reichen die Dämpfe aus, um das Oxid aufzulösen. Und ohne sie perlt das Metall wie eine Kugel.

Das waren also die letzten 10 Jahre meines Lebens.

Wir haben dieses Phänomen zu unserem Vorteil genutzt. Grundsätzlich bildet sich auf dem Metall schnell eine dünne Schale, die stark genug ist, dass man sie tatsächlich in 3D drucken kann. Das ist interessant, weil man Metalle bei Raumtemperatur drucken und Formen herstellen kann. Das wäre nicht möglich, wenn Sie versuchen würden, dies mit Wasser oder Kaffee oder so ziemlich jeder anderen Flüssigkeit zu tun, die Ihnen im Alltag begegnet.

Dickey: Sie haben nach dem Hintergrund gefragt – das ist der Raum, in dem wir gearbeitet haben. Wenn wir die Flüssigkeit aus einer Düse abgeben, kommt sie als Tröpfchen heraus, weil die Masse, in der dieses Zeug fließt, wie Wasser ist, aber dann bildet es eine Hülle darauf die Oberfläche. Lange Zeit hätte ich mir gewünscht, dass sich dieses Zeug eher wie Zahnpasta oder wie ein Gel verteilen würde.

Die Herausforderung besteht darin, wie man es dazu bringt, herauszukommen und wie ein Zylinder zu extrudieren. Sie benötigen es, um ein paar Dinge zu tun. Eine besteht darin, es aus einer Düse dosieren zu können. Und sobald es aus der Düse kommt, soll es seine Form behalten – das sind die absoluten Mindestanforderungen. Aber darüber hinaus soll es leitfähig sein und hoffentlich gute mechanische Eigenschaften haben. Wir wollten, dass es eine Flüssigkeit ist, damit wir daraus dehnbare Drähte herstellen können, wobei sich das flüssige Metall in einem Gummischlauch befindet. Die Drähte sind sehr dehnbar, weil sie Flüssigkeiten im Gummi enthalten. Es ist dehnbar wie Gummi, aber dennoch leitfähig wie Metall.

Aber ich habe mich immer gefragt, ob man ein Metall bei Raumtemperatur drucken und es dann erstarren lassen kann. Und die Antwort ist ja. Das haben wir mit diesem metallischen Gel gemacht. Für diese Arbeit haben wir uns von Sandburgen inspirieren lassen, die aus Sandkörnern gebaut werden. Es funktioniert nicht, wenn sie zu trocken oder zu nass sind, aber wenn sie etwas Wasser wie nassen Sand abbekommen, können Sie eine Burg bauen. Der Grund, warum man es bauen kann, ist, dass es eine kleine Brücke gibt, die Pendelbrücke oder Flüssigkeitsbrücke genannt wird und die Sandpartikel irgendwie zusammenzieht. In unserem Fall wären die mit flüssigem Metall gefüllten Kugeln wie Sandpartikel. Wir haben uns also gefragt, ob wir das schaffen könnten, aber statt großer Sandpartikel haben wir große Kupferpartikel – wären die Brücken aus flüssigem Metall? Auch hier lautet die Antwort ja.

Wir mischen Kupferpartikel mit dem flüssigen Metall und dann etwas Wasser. Der pH-Wert beträgt 1, weil wir dort kein Oxid haben wollen, damit wir Metall-Metall-Bindungen bilden können. Wir mischen diese Dinge einfach zusammen, und wenn die Zusammensetzung stimmt, entsteht ein Gel – eine Art Zahnpasta.

Sie können sich vorstellen, dass es als Elektron jetzt einen Weg gibt, den es durchlaufen muss, während die Kupferpartikel ohne das flüssige Metall keinen guten Kontakt haben.

Dickey: Das Wichtigste beim Gel ist, dass man ein Netzwerk braucht. Stellen Sie sich ein Netzwerk vor, in dem alle Teilchen oder die meisten davon miteinander verbunden sind. Es gibt einen Weg, der durch das gesamte Material geht. Es ist fast wie ein Skelett im Inneren der Flüssigkeit – ein Gerüst, das das Material zusammenhält.

Aber Sie brauchen das richtige Verhältnis. Wenn zu viel Kupfer vorhanden ist, ähnelt es einem sogenannten körnigen Feststoff und fühlt sich körnig an. Und wenn man nicht genug davon hat, dann hat man im Grunde genommen eine Flüssigkeit, weil nicht genug da ist, um das Ganze zusammenzuhalten. Es gibt also einen Sweet Spot: Nicht alle Kompositionen funktionieren. Es muss die richtige Menge an festen und flüssigen Partikeln sein. Bei der Sandburg hingegen sind die Flüssigkeitsbrücken von Luft umgeben; hier sind die Flüssigkeitsbrücken von Wasser umgeben.

Wenn es genau richtig ist, erhalten wir eine Formulierung, die funktioniert, die wir Metallgel nennen – es ist wirklich ein Gel. Es fühlt sich gelartig an und obwohl es hauptsächlich aus Metallen besteht, können wir es drucken.

Wir konnten es aus einer Düse drücken und unser North Carolina State-Logo drucken – was irgendwie cool ist. Wenn Menschen Metallpartikel drucken, funktioniert das aus verschiedenen Gründen normalerweise nicht. Wenn ich zum Beispiel eine Wasserflasche hätte und Sandpartikel hineingebe, würde sich der Sand einfach auf dem Boden absetzen. Wenn ich versuche, es aus einer Düse zu drücken, dringt die Flüssigkeit durch, nicht aber der Feststoff, oder der Feststoff würde sich verklemmen. Aber selbst wenn man es drucken könnte, hätten die Partikel normalerweise keinen sehr guten Kontakt und wären daher keine guten elektrischen Leiter. Unser metallisches Gel ist ohne zusätzliche Bearbeitung von Natur aus leitfähig.

Dickey:Ja, die dehnbaren Drähte, die ich beschrieben habe, bestanden nur aus Gallium.

Dickey:Nun, das ist eine gute Frage, und die Antwort könnte sein, dass es nicht unbedingt Kupfer sein muss.Jedoch, Es gibt mehrere Gründe, warum ich Kupfer für eine gute Wahl halte. Zum einen ist es im Handel erhältlich und daher leicht in die Hände zu bekommen. Zweitens benetzen sich das flüssige Metall und das Kupfer gegenseitig. Sie bilden Metall-Metall-Verbindungen, sodass die Mischung sehr gut zusammenhält. Und Kupfer leitet sowohl Wärme als auch Strom gut, also ist es in dieser Hinsicht gut. Es ist nicht das billigste Metall, aber es ist auch nicht das teuerste, also ist das auch schön. Eine andere Sache, mit der wir nicht gerechnet haben, ist, dass wir beim Drucken denken, wir hätten im Wesentlichen festes Kupfer und flüssiges Gallium, aber mit der Zeit diffundieren diese Dinge ineinander und bilden einen Feststoff.

Als Kind hatte ich schlechte Zähne, deshalb musste ich mir viele Füllungen machen lassen, einige davon sind aus Metall. Bei der Herstellung der Füllungen bohrt der Zahnarzt den Hohlraum aus, wodurch ein Loch im Zahn entsteht. Irgendwie müssen sie das Metall in dieses Loch bekommen. Ob Sie es glauben oder nicht, sie mischen einen Tropfen Quecksilber, der giftig ist, mit Silber, das fest ist. Es ist ein bisschen wie die Kupferpartikel, die wir verwenden. Sie vermischen sie zu einer Paste und pressen sie dann in Ihren Zahn. Und für kurze Zeit ist es eine Paste; es ist wie ein Gel. Aber dann wird es fest. Es bildet eine neue Phase – eine Legierung aus Quecksilber und Silber und einigen anderen Dingen.

Der Punkt ist also, dass unsere Materialien für eine angemessene Zeitspanne wie ein Gel sind. Aber nachdem wir sie gedruckt haben, verfestigen sie sich. Ursprünglich hatten wir nicht vor, das zu tun, aber es war ganz nett, dass am Ende ein fester Stoff entstanden ist.

Das andere, was wir nicht erwartet haben und das ziemlich interessant ist, ist, dass sich die Flüssigkeitspartikel verlängern, wenn man dieses Zeug durch eine Düse drückt, wie z. B. Zahnpasta. Wenn sie sich ausdehnen, ergibt sich beim Trocknen eine interessante Eigenschaft. Denken Sie daran, dass es auch Wasser gibt. Sobald wir es also gedruckt haben, kann das Wasser beginnen zu verdunsten. Und da die Partikel ausgerichtet sind, schrumpft es in radialer Richtung stärker als in Druckrichtung. Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie viele Stäbchen haben, muss der Raum zwischen ihnen wegen der Verdunstung verschwinden. Dadurch entsteht das, was man Anisotropie nennt, was bedeutet, dass es nicht in jede Richtung gleich ist.

Dadurch kann es zu Spannungen im Material kommen, aus denen wir Formen herstellen können, die sich verändern. Der Student, dem hier alle Anerkennung gebührt, hat diese Struktur gedruckt, und anhand der Art und Weise, wie die Balken angeordnet sind, kann man Krümmungen oder Verdrehungen erzielen. Wir sind nicht die Ersten, die das machen – Leute vor uns haben es 4D-Druck genannt. Aber ich denke, wir sind die ersten, die das mit leitfähigem Metallgel machen.

Ich habe gemischte Gefühle gegenüber dieser ganzen 4D-Druck-Sache. Die Grundidee besteht darin, dass man ein Objekt in 3D druckt und die vierte Dimension dann die Zeit ist. Es verändert sich also im Laufe der Zeit, und das ist in mancher Hinsicht gut und in mancher Hinsicht schlecht. Sie denken vielleicht: Ich habe bereits gedruckt, was ich will, ich möchte nicht, dass es sich ändert. Es stellt sich heraus, dass Sie es einfach bei Zimmertemperatur stehen lassen können, wenn Sie nicht möchten, dass es sich verändert, dann bleibt es in Form. Aber wenn man es erhitzt, treibt das das Wasser schneller aus und es entstehen Spannungen, die dazu führen, dass es sich verändert. Mein Schüler beschloss, eine kleine Spinne zu bauen, die sich selbst zusammenbauen würde, und druckte sie in 4D aus, sodass sie mit der Zeit ihre Form verändern würde.

Wir haben mit Flüssigmetall begonnen – Flüssigmetall hat einige wirklich schöne Vorteile, aber auch einige Nachteile. Es ist interessant, weil wir bei Raumtemperatur drucken können, es leitfähig ist und am Ende auch hauptsächlich ein Feststoff entsteht – für mich ist das das Einzigartige. Es gibt viele Möglichkeiten, Kunststoffe, Gummi und ähnliches zu bedrucken, und es gibt Möglichkeiten, Metall zu bedrucken. Diese verwenden jedoch sehr teure Geräte bei hohen Temperaturen, während dies supereinfach ist – es ist wie das Dosieren von Zahnpasta.

Dickey: Ja, das Wasser verdunstet, was ziemlich schnell geschieht. Obwohl wir diesen Aspekt noch nicht wirklich untersucht haben, bin ich mir ziemlich sicher, dass ich weiß, was passiert. Ich glaube, dass Gallium und Kupfer ineinander diffundieren und eine Legierung bilden – ein Kupfer-Gallium-Rohr, das ein Feststoff ist. Es ist sehr ähnlich wie bei Zahnfüllungen. Bei Füllungen wartet man eine kurze Zeit, es ist wie eine Paste, und dann bildet sich diese neue Phase. Das ist also etwas, mit dem wir uns jetzt intensiver befassen. Aber ich denke, genau das passiert.

Ich hatte zunächst gedacht, dass die mechanischen Eigenschaften nicht so gut sein würden, denn wenn Zahnpasta herauskommt, wird daraus wahrscheinlich keine sehr robuste Spinne entstehen. Doch mit der Zeit verfestigte es sich so weit, dass der Schüler es mit einer Säge zuschneiden musste, um es in die für die Messung erforderliche Form zu bringen. Es ist also nicht so gut wie Stahl oder ähnliches, aber besser als andere Kunststoffe.

Dickey: Wir haben das nicht untersucht, also sollte ich nicht zu viel spekulieren, aber meine Vermutung ist nein. Der Grund dafür, dass es seine Form ändert, ist etwas, das ich selbst nicht ganz verstehe, aber ich denke, was passiert, ist erstens, dass Sie das Wasser verdunsten lassen, aber es gibt auch eine Zutat, die ich nicht erwähnt habe. Wir fügen ein wenig Polymer hinzu, weil es die Abgabe aus der Düse erleichtert. Um es klarzustellen: Wir haben nur versucht, Metalle zu drucken, nicht 4D-Druck. Erst als wir ungeduldig wurden und anfingen, das Wasser zu erhitzen, sahen wir den 4D-Druck. Aber ich denke, dass das Polymer schrumpft. Stellen Sie sich einen nassen Schwamm vor – wenn Sie ihn trocknen lassen, schrumpft er. Und diese Schrumpfung ist es, die den Stress verursacht. Ich denke, dass das Polymer den 4D-Druck-Aspekt verursacht. Da die Polymermenge so gering ist, trägt sie nicht wirklich zur Gesamtfestigkeit bei. Daher glaube ich nicht, dass die Erwärmung zu einer Änderung der mechanischen Eigenschaften führen könnte, obwohl sie möglicherweise zu einer schnelleren Erstarrung führt.

Dickey: Ehrlich gesagt standen wir auf den Schultern von Riesen. Vor uns gab es Menschen, die zwar keine metallischen Materialien druckten, dafür aber Polymere, in denen sich kleine Stäbchen befanden. Als sie das Material durch die Düse drückten, richteten sich diese kleinen Stäbchen alle auf, sodass sie die gleiche Art anisotroper Trocknung erzielten, die wir sehen. Und sie nutzten eine wirklich abscheuliche Mathematik, um herauszufinden, wie die Belastungen dazu führen würden, dass die Dinge schrumpfen. Ich weiß nicht, wie man es einfach beschreiben kann, aber das sind Gitterstrukturen. Wenn Sie sich zwei Stäbe vorstellen, die in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, rücken sie beim Schrumpfen eines Stäbchens näher zusammen. Wenn es das anisotrop macht, können Sie sich vorstellen, dass es, anstatt dass sie alle zusammenkommen, eine Krümmung in eine Richtung erzeugen könnte, basierend auf der Spannung, die durch das Schrumpfen entsteht und wie es sie alle zusammenzieht.

Die kurze Antwort ist, dass die Leute das schon früher mit anderen Materialien gemacht haben, also haben wir einfach gesagt: Nun, es funktioniert, lasst uns ihr Design kopieren. Ich erwähne das gerne, weil es einerseits eine wunderbare Art und Weise ist, wie Wissenschaft funktioniert – man baut auf der Arbeit anderer Leute auf.

Aber das andere Schöne ist, dass ich mir manchmal Sorgen mache, dass die Leute, wenn sie unsere Videos sehen, denken, OK, es ändert seine Form. Aber mein Schüler sagte: „Ich möchte eine Spinne machen und ich möchte, dass ihre Beine diese Form haben.“ Natürlich gibt es eine Grenze für das, was wir tun können, man kann nicht irgendeine beliebige Form herstellen, aber der Punkt ist, dass er die Beine aufgrund der Art und Weise, wie er sie gedruckt hat, absichtlich in eine Richtung gebogen hat.

Dickey: Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten. Meine Motivation war lange Zeit das, was ich Multimaterialdruck nenne. Normalerweise bedeutet die Bezeichnung „Multimaterial“, dass Sie mehr als ein Material gleichzeitig drucken. Besonders bei kommerziellen Anwendungen meinen die Leute, wenn sie Multimaterial sagen, normalerweise nur: „Ich werde Polymer A und Polymer B drucken“, aber es handelt sich immer noch um Polymere. Soweit ich weiß, gibt es zumindest im Verbraucherbereich keine guten Beispiele, bei denen man Polymere mit Metallen drucken könnte.

Ich wollte schon immer in der Lage sein, Kunststoffe, Metalle und andere Arten von Materialien zusammen zu drucken, im Idealfall ohne Einbußen bei den Materialeigenschaften. Das war ein Problem, denn obwohl wir Metalle drucken konnten, sind dafür so enorme Temperaturen erforderlich, dass man sie einfach nicht mit Kunststoffen drucken kann.

Warum sollten wir das tun wollen? Nun, die meisten Dinge in unserem täglichen Leben bestehen aus mehreren Materialien. Ich sitze zum Beispiel an einem Tisch, der einen Metallständer und eine Holzoberfläche hat. Die meisten Dinge, die in unserem täglichen Leben irgendeine Funktion haben, bestehen aus mehreren Materialien.

Das war einer der großen Beweggründe. Das andere Problem war, dass die Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften zwar noch nicht so gut sind wie bei reinem Metall, ich aber zunächst dachte, dass man es zum Drucken von dehnbaren und verformbaren Leitern verwenden könnte, wenn es eine metallische Paste oder ein metallisches Gel bliebe.

Wir sind irgendwie hineingestolpert, aber jetzt, da wir wissen, dass wir Vollkörper drucken können, finde ich das auch interessant, weil man mehr Strukturmaterialien drucken könnte, wie einen kleinen Eiffelturm oder so etwas.

Mich motivierte der Wunsch, etwas zu tun, was noch niemand zuvor getan hatte, und nicht: „Es gibt ein Problem, lasst uns es lösen.“ Eine bestimmte Anwendung hatte ich nicht im Sinn. So recherchiere ich gerne. Ich frage mich gerne: „Was hat noch nie jemand gemacht und wie können wir das schaffen?“ Und dann weiß ich, wenn wir es schaffen, wird etwas Gutes dabei herauskommen.

Das Besondere an unserem Material ist, dass es sowohl thermische als auch elektrische Leitfähigkeit besitzt. Was die Wärmeleitfähigkeit betrifft, könnte man sie beispielsweise zum Abführen von Wärme von einem Computerchip oder etwas Ähnlichem verwenden. Was die elektrische Leitfähigkeit angeht, reichen die kleinsten Abmessungen, die wir derzeit drucken können, bei weitem nicht an die heran, die für die Herstellung von Transistoren und Computerchips verwendet werden. Aber man könnte Leiter drucken, obwohl wir immer noch etwas größer sind als die Leiter, die man auf Leiterplatten finden würde. Aber sie sind im Stadion. Wenn Sie also ein Bastler sind, können Sie damit beispielsweise Antennen oder Sensoren oder sogar Strukturelemente hinzufügen, um Ihr 3D-gedrucktes Teil stärker zu machen.

Metall-Kunststoff-Hybrid-3D-Druck

3D-Druck eines einzigartigen Metallteils

Ich denke, die Anwendungen sind wirklich nur durch die Kreativität begrenzt.

Dickey: Ich möchte sagen, dass mein Student hier wirklich Anerkennung findet. Ich habe einfach großes Glück, einen Job zu haben, bei dem ich mit so tollen Menschen zusammenarbeiten kann. Ich betrachte mich als Mittelsmann, die Menschen, die diese Anerkennung verdienen, sind die Studenten.