Additive Fertigung Kühlende Materialien aus dem 3D-Drucker

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Thermoelektrische Materialien wandeln zwar Temperaturunterschiede in elektrische Spannung um und umgekehrt, doch ihre Herstellung ist kostspielig und ‚verschwendet‘ Material. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben eine 3D-Drucktechnik verwendet, um leistungsstarke thermoelektrische Materialien herzustellen und die Produktionskosten erheblich zu senken.

Thermoelektrische Wandler können eine lokale Kühlung bewirken, indem sie elektrischen Strom nutzen, um Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere zu übertragen. Ihre lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber undichten Stellen, ihre anpassungsfähige Größe und Form, und die Abwesenheit beweglicher Teile wie zirkulierender Flüssigkeiten machen diese Geräte ideal für verschiedene Kühlanwendungen, z. B. in der Elektronik. Ihre Herstellung aus Barren, also Blöcken eines Materials, ist jedoch mit hohen Kosten verbunden und erzeugt viel Materialabfall. Außerdem hält sich die Leistung der Geräte in Grenzen.

Nun entwickelte ein Team unter der Leitung von Maria Ibáñez, Verbundprofessorin für Energiewissenschaften und Leiterin des Werner Siemens Thermoelectric Laboratory am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), zusammen mit dem Erstautor und ISTA-Postdoc Shengduo Xu, leistungsstarke thermoelektrische Materialien aus dem 3D-Drucker und baute daraus einen thermoelektrischen Kühler. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in einem Artikel in Science veröffentlicht. „Unsere innovative Integration des 3D-Drucks in die Herstellung thermoelektrischer Kühler verbessert die Fertigungseffizienz erheblich und senkt die Kosten“, sagt Xu. Im Gegensatz zu früheren Versuchen, thermoelektrische Materialien im 3D-Druckverfahren herzustellen, liefert die vorliegende Methode zudem Materialien mit einer wesentlich höheren Leistung. ISTA-Professorin Ibáñez erklärt: „Mit einer Leistung auf kommerziell-kompetitivem Niveau hat unsere Arbeit das Potenzial, über die akademische Forschung hinauszugehen, praktische Relevanz zu erlangen und das Interesse von Branchen zu wecken, die Anwendungen in der realen Welt anstreben.“

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Die Grenzen der thermo-elektrischen Technologien erweitern

Obwohl alle Materialien einen gewissen thermoelektrischen Effekt aufweisen, ist dieser oft zu gering, um nützlich zu sein. Materialien, die einen ausreichend hohen thermoelektrischen Effekt aufweisen, sind in der Regel sogenannte „degenerate semiconductors“, d. h. „dotierte“ Halbleiter, denen absichtlich Verunreinigungen zugeführt werden, damit sie sich wie Leiter verhalten. Die derzeit modernsten thermoelektrischen Kühler werden mithilfe von Blockfertigungstechniken hergestellt – also gewissermaßen aus einem Block ‚ausgeschnitten‘. Diese teuren und energieintensiven Verfahren, die nach der Produktion umfangreiche Bearbeitungsprozesse erfordern, verschwenden viel Material. „Mit unserer aktuellen Arbeit können wir thermoelektrische Materialien in 3D exakt in der benötigten Form drucken. Darüber hinaus weisen die daraus resultierenden Geräte einen Netto-Kühleffekt von 50 Grad in der Luft auf. Das bedeutet, dass unsere 3D-gedruckten Materialien ähnlich leistungsfähig sind wie solche, deren Herstellung deutlich teurer ist“, sagt Xu. Damit schlägt das Team von ISTA-Materialwissenschafter eine skalierbare und kostengünstige Produktionsmethode für thermoelektrische Materialien vor, die energieintensive und zeitaufwändige Schritte umgeht.

Gedruckte Materialien mit optimierter Partikelbindung

Über die Anwendung von 3D-Drucktechniken zur Herstellung thermoelektrischer Materialien hinaus hat das Team die Drucktinten so konzipiert, sodass beim Verdampfen des Trägerlösungsmittels effektive und robuste atomare Bindungen zwischen den Körnern entstehen. Dadurch wird ein atomar verbundenes Materialnetzwerk gebildet. Infolgedessen verbessern die chemischen Grenzflächenbindungen die Ladungsübertragung zwischen den Körnern. Dies erklärt, wie es dem Team gelungen ist, die thermoelektrische Leistung seiner 3D-gedruckten Materialien zu verbessern und gleichzeitig neue Erkenntnisse über die Transporteigenschaften poröser Materialien zu gewinnen. „Wir haben eine extrusions-basierte 3D-Drucktechnik eingesetzt und die Tintenformulierung so konzipiert, dass die Integrität der gedruckten Struktur gewährleistet ist und die Partikelbindung erhöht wird. So konnten wir die ersten thermoelektrischen Kühler aus gedruckten Materialien herstellen, die eine vergleichbare Leistung wie Geräte auf Barrenbasis aufweisen und gleichzeitig Material und Energie sparen“, sagt Ibáñez.

Thermoelektrische Kühler zur Behandlung von Verbrennungen

Neben der schnellen Wärmeableitung in Elektronik und tragbaren Geräten könnten thermoelektrische Kühler auch in der Medizin eingesetzt werden, beispielsweise bei der Behandlung von Verbrennungen und zur Linderung von Muskelverspannungen. Darüber hinaus kann die von den ISTA-Wissenschaftern entwickelte Methode zur Tintenformulierung auch auf andere Materialien angewendet werden, die in Hochtemperatur-Thermoelektrogeneratoren zum Einsatz kommen könnten – also Geräte, die aus einem Temperaturunterschied elektrische Spannung erzeugen können. Laut dem Team könnte ein solcher Ansatz die Anwendbarkeit von thermoelektrischen Generatoren in verschiedenen Systemen zur Energiegewinnung aus Abfällen erweitern.

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