Piezokristalle aus dem 3D-Drucker realisiert

Beliebig geformt und sensibel für jede Richtung, machen sie ein breites Anwendungsfeld auf

Piezoelektrisches Gitter aus dem 3D-Drucker (Foto: H. Cui/Zheng Lab)

Blacksburg (pte002/23.01.2019/06:05) – Forscher an der Virginia Polytechnic Institute and State University http://vt.edu haben piezoelektrisches Material per 3D-Druck hergestellt. Xiaoyu
"Rayne" Zheng, Assistenzprofessor für Mechanik, hat den Durchbruch
gemeinsam mit seinem Team erzielt. Die gedruckten Kristalle wandeln
Bewegungen, Stöße und Druck aus beliebigen Richtungen in elektrische
Energie um.

Empfindliche Kristallgitter

Das neue Verfahren lässt beliebige Formen und Größen zu. Die so
hergestellten Bauteile lassen sich als Sensoren, Schwingungsmesser,
Energiespeicher und in zahlreichen anderen Einsatzgebieten nutzen. In
natürlichen piezoelektrischen Kristallen ist die Orientierung der Atome
festgelegt. Das bedeutet, dass sie nur wirken, wenn Kräfte aus einer
bestimmten Richtung einwirken.

Zhengs Methode imitiert zwar die Struktur der natürlichen Kristalle.
Doch die Gitterstruktur sorgt dafür, dass die Richtungsorientierung
aufgehoben wird. "Wir haben piezoelektrische Tinten entwickeln, die die
Herstellung von hochempfindlichen Kristallgittern ermöglichen", sagt
Zheng. Diese werden Schicht für Schicht aufgetragen und an den Stellen,
die übrigbleiben sollen, durch ultraviolettes Licht ausgehärtet. Die
Tinten enthalten Nanokristalle aus piezoelektrischem Material, die in
einer Flüssigkeit schwimmen, die wiederum auf ultraviolettes Licht
reagiert.

Piezosensor schützt Boxer

"Wir können dicke, leichte, steife und energieabsorbierende Kristalle
herstellen", so Zheng. Sie können sogar in Kleidung und Sportzubehör
eingebaut werden. In Boxhandschuhen messen sie die Härte der Schläge, um
die Gesundheit des Gegners zu schützen. Zudem tut sich eine Fülle von
technischen Anwendungen auf. Integriert in Brücken, messen die Sensoren
Strukturveränderungen durch Belastung, sodass Reparaturen möglich sind,
ehe ein Bauteil zusammenstürzt. Die Forscher haben zudem gezeigt, dass
die piezoelektrischen Bauteile auch Unterwasser-Vibrationen erfassen.
Sie lassen sich auch als Aktoren benutzen. Legt man eine elektrische
Spannung an, bewegen sie sich und öffnen in Motoren beispielsweise ein
Ventil.