Ein südkoreanisches Forschungsteam hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie erfolgreich einen hochdehnbaren Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoff entwickelt. Dieser Durchbruch eröffnet neue technologische Möglichkeiten für die Entwicklung flexibler elektronischer Geräte und tragbarer Gesundheitsüberwachungsgeräte. Der Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoff weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf und behält gleichzeitig eine gute elektrische Leitfähigkeit.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Keun Park und Associate Professor Soonjae Pyo vom Department of Mechanical Systems Design Engineering der Seoul National University of Science and Technology hat mithilfe eines 3D-Druckverfahrens mittels Fotopolymerisation ein Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial mit hervorragenden Eigenschaften hergestellt. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Composite Structures veröffentlicht.

Das Forschungsteam stellte eine für den 3D-Druck geeignete Nanokomposittinte her, indem es mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) gleichmäßig in einem aliphatischen Polyurethan-Diacrylatharz verteilte. Die Kohlenstoffnanoröhrenkonzentration wurde zwischen 0,1 und 0,9 Gewichtsprozent eingestellt, und Ultraschallrührung sorgte für eine gleichmäßige Verteilung. Nach einer systematischen Analyse der Tinteneigenschaften ermittelten die Forscher die optimalen Druckparameter.

Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass ein Verbundwerkstoff mit 0,9 % Kohlenstoffnanoröhren die beste Gesamtleistung zeigte. Dieses Material konnte vor dem Bruch auf 223 % seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden und behielt dabei eine elektrische Leitfähigkeit von 1,64 × 10⁻³ S/m. Dieser Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoff erreichte zudem eine Druckgenauigkeit von 0,6 mm und zeigte damit eine hervorragende Verarbeitbarkeit.

Das Forschungsteam verwendete optimierte Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe, um einen piezoresistiven Sensor auf Basis einer dreifach periodischen minimalen Oberflächenstruktur herzustellen. Der Sensor zeigte eine hohe Empfindlichkeit und Stabilität und wurde erfolgreich in eine intelligente Einlegesohle integriert. Die intelligente Einlegesohlenplattform kann die plantare Druckverteilung in Echtzeit überwachen und Veränderungen der menschlichen Bewegung und Körperhaltung präzise erkennen.

Professor Park sagte: „Unsere neuen Kohlenstoffnanoröhren-Nanokomposite sind speziell für VPP-basierte Prozesse optimiert und ermöglichen die Herstellung hochkomplexer 3D-Strukturen. Wir haben diese Materialien auch verwendet, um neuartige piezoresistive Sensoren additiv herzustellen und sie in tragbare Geräte zur Gesundheitsüberwachung zu integrieren.“

Professor Pyo fügte hinzu: „Unser intelligentes Einlegesohlengerät demonstriert das Potenzial unserer Kohlenstoffnanoröhren-Nanokomposite für den 3D-Druck der nächsten Generation hochdehnbarer und leitfähiger Materialien. Wir glauben, dass diese Materialien für tragbare Gesundheitsmonitore, flexible Elektronik und intelligente Textilien unverzichtbar sein werden.“

Diese Forschung demonstriert die Machbarkeit der 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung funktionaler Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe. Die erfolgreiche Entwicklung von Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffen eröffnet neue Materialoptionen für den Bereich der flexiblen Elektronik, insbesondere für Anwendungen, die komplexe Strukturen und kundenspezifische Designs erfordern.