Bateria i bioniczne ucho: wskazówka obietnicy druku 3D

Dzisiejsze drukarki 3D mogą generalnie budować rzeczy tylko z jednego rodzaju materiału – zwykle plastiku lub, w niektórych drogich przemysłowych wersjach maszyn, metalu. Nie potrafią budować obiektów z funkcjami elektronicznymi, optycznymi lub jakimikolwiek innymi, które wymagają integracji wielu materiałów. Ale ostatnie postępy w laboratorium badawczym – w tym bateria wydrukowana w 3D i bioniczne ucho – sugerują, że może się to wkrótce zmienić.

Atrament zasilający: Ten obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawia wydrukowany w 3D akumulator litowo-jonowy. Maleńkie dysze umieszczają atramenty anodowe i katodowe w precyzyjnej architekturze. Przedstawiony tutaj produkt drukowany ma mniej więcej milimetr z każdej strony i pół milimetra wysokości. Po wydrukowaniu elektrody są spiekane i pakowane.

W zeszłym miesiącu naukowcy ujawnili, jak mówią, pierwszą na świecie baterię wydrukowaną w 3D, wykonaną z dwóch różnych atramentów do elektrod. Prowadzone przez Jennifer Lewis , profesor inżynierii inspirowanej biologicznie na Harvardzie, grupa wykorzystała maleńkie dysze do precyzyjnego osadzania atramentów anodowych i katodowych, które zawierają nanocząsteczki odpowiednio tlenku litu i tytanu oraz fosforanu litu i żelaza. W papier w Zaawansowane materiały , naukowcy opisali drukowanie akumulatorów w skali milimetrowej, które można wykorzystać do zasilania takich rzeczy, jak małe czujniki bezprzewodowe i urządzenia medyczne. Baterie, z których każdy można wydrukować w ciągu kilku minut, wykazały imponującą wydajność elektrochemiczną.

Warstwa po warstwie: Ten obraz optyczny przedstawia dyszę o średnicy 30 mikrometrów, która nakłada warstwy atramentu elektrodowego.

Grupa Lewisa opracowała materiały i niestandardową technologię drukarki — w tym dyszę, która może drukować elementy o wielkości zaledwie jednego mikrometra — potrzebne do drukowania kilku różnych rodzajów elementów funkcjonalnych oprócz baterii, w tym elektrod i anteny wykonane z atramentów zawierających nanocząstki metaliczne oraz struktury optyczne wykonane z żywic fotoutwardzalnych. Teraz, gdy ona i jej koledzy stworzyli paletę funkcjonalnych atramentów (jej grupa posiada osiem patentów) do cyfrowego drukowania zarówno komponentów 2D, jak i 3D, następnym krokiem jest próba stworzenia zintegrowanej elektroniki, mówi Lewis.

Chociaż może minąć wiele lat, zanim coś tak skomplikowanego, jak smartfon, będzie można wydrukować, niektóre produkty elektroniczne drukowane w 3D mogą nie być zbyt odległe. Weźmy na przykład aparaty słuchowe, mówi Lewis. Firmy już drukują plastikową powłokę, która znajduje się w jamie ucha użytkownika. Komponenty elektroniczne są montowane osobno, a urządzenia wykorzystują małe baterie, które należy wymieniać mniej więcej co siedem dni. Wyobraź sobie, że możesz wydrukować cały aparat słuchowy w 3D, mówi Lewis. Możemy drukować na zakrzywionych powierzchniach. Komponenty elektryczne i akumulator, taki jak ten, który właśnie zademonstrowała jej grupa, można było w ten sposób osadzać addytywnie w plastikowej powłoce.

Możliwości wynikające z możliwości precyzyjnego umieszczania materiałów elektronicznych lub optycznych w obiektach drukowanych 3D nie ograniczają się do elektroniki użytkowej. W maju naukowcy z Princeton zgłoszone użycie gotowej drukarki 3D do wyprodukowania zaprojektowanego komputerowo ucha wykonanego z prawdziwej tkanki z przeplecioną elektroniką, w tym anteną spiralną i elektrodami złożonymi z przewodzącego polimeru nasyconego nanocząsteczkami srebra. Aby wydrukować tkankę, naukowcy zaszczepili galaretowatą macierz komórkami bydlęcymi. Matryca nadała wydrukowanemu uchu swoją formę, gdy komórki rozwinęły się w chrząstkę.

Naukowcy przyznają, że ucho, które potrafi wykrywać częstotliwości radiowe, służy głównie jako demonstracja. Jest to jednak pierwszy przykład tego rodzaju integracji tkanki biologicznej i elektroniki, który sugeruje nowe podejście do inżynierii tkankowej oparte na produkcji addytywnej.

Ucho wydrukowane w 3D i bateria Lewisa — oba wyprodukowane przy użyciu drukarek, które wytłaczają materiał przez dyszę — otwierają okno na potencjał wytwarzania addytywnego do wytwarzania rzeczy z więcej niż jedną funkcją, mówi Ryszard Hague , dyrektor EPSRC Centrum Innowacyjnej Produkcji w Produkcji Addytywnej na Uniwersytecie Nottingham.

Jednak, mówi Hague, jeśli druk 3D ma w dłuższej perspektywie wywrzeć wpływ w solidnym sensie produkcyjnym, najprawdopodobniej będzie to możliwe dzięki innym technologiom drukowania – na przykład zaawansowanym maszynom, które wykorzystują głowice drukujące, takie jak w konwencjonalnych drukarkach atramentowych . Badania w jego ośrodku koncentrują się na przezwyciężaniu istotnych przeszkód materiałowych w drukowaniu w ten sposób materiałów przewodzących.

Na razie grupa Lewisa bada sposoby komercjalizacji swoich drukarek opartych na wytłaczaniu, które mogą drukować funkcjonalne atramenty za pomocą dysz o wielkości nawet 100 nanometrów i mogą być wyposażone w głowice drukujące zdolne do nakładania atramentów z wielu większych dysz jednocześnie. Myślę, że istnieje droga do produkcji niestandardowych komponentów, mówi. Przynajmniej taka jest nasza wizja.

ukryć