Piezokristalle aus dem 3D-Drucker

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

Forscher an der Virginia Polytechnic Institute and State University  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 des 3D-Druck 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.