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3D-Druck mit Graphen ist eine der nächsten Herausforderungen

















Graphen wird als Wundermaterial gepriesen, das das Potenzial hat, den 3D-Druck zu revolutionieren. Wissenschaftler und Entwickler arbeiten daran, Computer, Solarzellen, Elektronik und sogar Autos aus Graphen zu drucken. Während die Verwirklichung vieler dieser Visionen noch in weiter Ferne liegt, sind in den letzten Monaten einige wichtige Durchbrüche erzielt worden.

Graphen wird als Wundermaterial gepriesen, das das Potenzial hat, den 3D-Druck zu revolutionieren. Es besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, und gilt als das dünnste, stärkste und flexibelste Material der Welt. Außerdem ist es ein hervorragender Wärme- und Stromleiter.

Diese Eigenschaften haben die Phantasie von Wissenschaftlern und Entwicklern beflügelt, die daran arbeiten, Computer, Solarzellen, Elektronik und sogar Autos aus Graphen zu drucken.

Während die Verwirklichung vieler dieser Visionen noch in weiter Ferne liegt, wenn sie überhaupt wahr werden sollen, wurden in den letzten Monaten einige wichtige Durchbrüche erzielt. Im September meldete  Graphene 3D Lab ein Patent für die erste 3D-gedruckte Batterie mit Graphen an, und Ende Oktober 2014 stellte das Ehepaar, das fünf Jahre lang an der Technologie gearbeitet hatte, die erste 3D-gedruckte Batterie der Öffentlichkeit vor.

Die Gründer von Graphene 3D Lab machten sich die Tatsache zunutze, dass Graphen in Form von Nano-Plättchen mit Thermoplasten gemischt werden kann, die üblicherweise in FFF/FDM-3D-Druckern verwendet werden. Das Unternehmen arbeitet an einem Nanokomposit-Filament mit Graphen, das in einem Standard-3D-Drucker zur Herstellung einer funktionierenden Batterie verwendet werden kann. Damit könnte so gut wie jeder, der Zugang zu einem 3D-Drucker hat, seine eigene Stromquelle drucken.

Bisher gibt es nur einen Prototyp, aber er kann bereits so viel Strom erzeugen wie eine herkömmliche AA-Batterie, die in Standardgeräten wie Taschenlampen und Spielzeug verwendet wird. Die Batterie kann in fast jeder Form gedruckt werden, so dass sie in eine Vielzahl verschiedener Geräte integriert werden kann. Das Unternehmen will Anfang 2015 mit dem Verkauf von graphenhaltigem Filament beginnen und hofft, Anfang 2016 seine ersten Multimaterialdrucker auf den Markt bringen zu können.

Graphene 3D Lab hat außerdem eine Vereinbarung mit dem in Missouri ansässigen Unternehmen taulman3D getroffen, um gemeinsam ein mit Graphen durchsetztes Nylonmaterial für den Einsatz in 3D-Druckern zu entwickeln. Experten sehen ein großes Potenzial für diese Technologie für Sensoren, kleine Geräte und eingebettete Elektronik, die Teil des Internets der Dinge werden sollen.

Während 3D-gedruckte Batterien auf Graphenbasis viel Aufmerksamkeit erregt haben, hat ein anderer wissenschaftlicher Durchbruch noch mehr Aufsehen erregt. Forscher unter der Leitung von Professor Seung Kwon Seol vom Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) haben ein Verfahren zum 3D-Druck reiner Graphen-Nanostrukturen beschrieben. Dies ist das erste Mal, dass Graphen allein gedruckt wurde, ohne es mit anderen Materialien zu vermischen. Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht und trägt den Titel "3D Printing of Reduced Graphene Oxide Nanowires". Die Arbeit zeigt, dass die Methode funktioniert, doch es gibt noch einige Herausforderungen. Eine davon ist die Erhöhung der Ausbeute, eine andere die Reduzierung der Größe des extrudierten Materials auf unter 10 nm.

Bislang war das kürzlich entdeckte Material Graphen nicht in großen Mengen verfügbar. Forscher waren nur in der Lage, kleine Chargen des schwarzen Stroms mit den Wundereigenschaften herzustellen. Nun hat ein kürzlich gegründetes Unternehmen, Cambridge Nanosystems, die Finanzierung für eine neue Anlage gesichert, die jährlich bis zu fünf Tonnen des äußerst wertvollen schwarzen Staubs herstellen kann. Die Anlage soll 2015 in Betrieb genommen werden. Cambridge Nanosystems verwendet ein patentiertes System zur Umwandlung von Biogas in Graphen. Das Gas kann entweder aus einer Erdgaspipeline oder aus Abgasen stammen.

Sobald die Produktion hochgefahren ist, plant Cambridge Nanosystems, Teil der Gruppe zu sein, die neue Anwendungen für das Material entwickelt. Der 3D-Druck wird dabei eine große Rolle spielen. Laut der britischen Zeitung The Telegraph führt das Unternehmen Gespräche mit einigen der führenden Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilherstellern über die Verwendung von Graphen in Verbundwerkstoffen, um superleichte, unzerstörbare Maschinen herzustellen, die nicht rosten. Cambridge Nanosystems wird Ideen liefern und Prototypen entwickeln, aber die eigentliche Produktion anderen überlassen.

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