Embedded‑3D‑Druck ahmt die Natur nach und eröffnet neue Möglichkeiten für Halbleiter

Hersteller haben ihre eingebetteten 3D‑Druckverfahren in den letzten fünf Jahren verbessert. Dennoch bleibt eine Einschränkung, die niemand beseitigen konnte – die Fähigkeit, ultra‑dünne Strukturen schnell zu drucken, wie sie in der Natur vorkommen. Aufgrund ihrer mikroskopischen Eigenschaften können diese Strukturen unglaublich stark und widerstandsfähig gebaut werden, was sie für heutige Hochleistungsanwendungen ideal macht.

Glücklicherweise hat ein innovatives Forscherteam möglicherweise ein neues 3D‑Druckverfahren entdeckt, das die Natur nachahmt und damit die Tür zu einer Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten öffnet, möglicherweise sogar zur Herstellung eingebetteter Halbleiter. Das sollten Sie wissen.

Natur nachahmen

Die Natur nutzt dünne faserige Strukturen wie Haare oder die feinen Blutgefäße, die Ihren Muskeln ermöglichen, Sauerstoff über den Blutkreislauf zu erhalten. Bei manchen Tieren können diese feinen Haare als Sensoren in Form von Schnurrhaaren fungieren. Bei anderen Arten, wie Spinnen, können sie als Falle oder zum Bau eines Hauses verwendet werden.

Eidechsen und viele andere Tiere nutzen haarähnliche Merkmale, um senkrechte Wände zu erklimmen. Es gibt sogar Fälle, in denen dünne, haarähnliche Strukturen als Abwehrmechanismus dienen. Der Schleimfisch stößt ein faseriges Gel auf Raubtiere, das deren Kiemen und Augen bedeckt und sie so praktisch erstickt und blendet.

Ingenieure wollten diese natürlichen Phänomene schon lange nachbilden, doch Beschränkungen der heutigen Fertigungsverfahren machten dies unmöglich. Kürzliche Fortschritte in der hochauflösenden eingebetteten 3D‑Drucktechnologie haben einige Probleme gelöst, aber viele bleiben bestehen. Nun verspricht ein neues 3D‑Druckverfahren, die fehlenden Puzzleteile zu liefern und eine neue Welle ultra‑feiner Designstrukturen zu ermöglichen.

Traditionelle 3D‑Druckverfahren

Traditioneller 3D‑Druck verwendet eine Düse und ein Lösungsmittel, das schichtweise in einer offenen Luftumgebung extrudiert wird. Das Material wird anschließend durch Zeit, Wärme oder sogar Laser getrocknet. Neuere Fortschritte haben dem traditionellen 3D‑Druck ermöglicht, dünnere Extrusionen zu erzeugen, doch es fehlt noch vieles, um die Natur nachzuahmen.

Nachteile

Die Hauptnachteile traditioneller 3D‑Druckverfahren umfassen Probleme wie die Gesamtausrichtung des Drucks. Der Druck muss so positioniert sein, dass jede Schicht die nachfolgende Schicht tragen kann. In vielen Fällen müssen Stützstrukturen hinzugefügt und nach dem Trocknen des Drucks wieder entfernt werden, was den Arbeitsaufwand und die Zeit erhöht.

Die Dünnheit der feinen, haarähnlichen Drucke, die Ingenieure erzeugen wollen, lässt sich in der offenen Luft nicht reproduzieren. Die strukturelle Integrität, Schwerkraft und andere Kräfte führen dazu, dass die mikrodünnen Stützen nachgeben. Eine Lösung besteht darin, in ein Medium statt in Luft zu drucken.

Eingebetteter 3D‑Druck

Eingebetteter 3D‑Druck nutzt ein weiteres Medium, das während des Aushärtens und Verfestigens der Struktur Unterstützung bietet. Eingebettete Drucksysteme können Hydrogele verwenden, die es der Druckdüse ermöglichen, sich frei zu bewegen, während sie den Druck während des Trocknens an Ort und Stelle halten. Dieser Ansatz löst die Probleme der durch Schwerkraft induzierten Verformung gedruckter Strukturen beim direkten Ink‑Writing.

Eingebetteter 3D‑Druck bietet weitere Vorteile. Zum einen ist die Hydrogel‑Mischung wiederverwendbar, sodass Drucker nicht für jeden Druck neues Material kaufen müssen. Außerdem können sie eine Vielzahl verschiedener Filamente einsetzen, um komplexe Strukturen zu erzeugen, da der Prozess während des Aushärtens Unterstützung bietet.

Nachteile des eingebetteten 3D‑Drucks

Dieses Verfahren des eingebetteten 3D‑Drucks hat sich als effektiver beim Drucken bestimmter Designs und dünnerer Extrusionen, wie z. B. Helixfedern, erwiesen. Dennoch bleibt seine Fähigkeit, naturähnliche Fasern zu drucken, durch das Aufbrechen der Filamente aufgrund von Kapillarität begrenzt. Tests zeigen, dass alles unter einem Durchmesser von sechzehn Mikrometern außerhalb des Bereichs aktueller eingebetteter 3D‑Druckmethoden liegt, weil die Filamente durch Oberflächenspannung brechen.

Studie zum eingebetteten 3D‑Druck

Inspiriert von der Natur hat eine Gruppe von Ingenieuren der Dankook University in Südkorea und weitere ein neues Verfahren des eingebetteten 3D‑Drucks vorgestellt, das Anleihen bei Mutter Natur nimmt. Dieser bio‑inspirierte Ansatz wurde in der Zeitschrift Nature Communications als Studie „Schneller 3D‑Druck feiner, kontinuierlicher und weicher Fasern mittels eingebettetem Lösungsmittelaustausch“ veröffentlicht. Er behandelt einen schnellen, mehrdüsen‑basierten Prozess namens 3DPX (3D‑Druck durch Lösungsmittelaustausch).

Nicht‑newtonisches Gel

Die 3DPX‑Methode kombiniert den Einsatz von nicht‑newtonischen Gelen mit einem neuen Druckerdesign, um mikron‑dünne filamentöse Strukturen zu drucken. Das Gel nutzt dabei den Lösungsmittelaustausch, um das Kapillar‑Aufbrechen durch Oberflächenspannung zu verhindern. Dadurch kann die Druckdüse dank des zusätzlichen Drehmoments frei bewegt werden, während die dünnen Fasern das Gel als festen Körper wahrnehmen und die notwendige Unterstützung erhalten.

3D-Druck ahmt die Natur nach

Zusätzlich bot das Gel dank der Verwendung von mikroskopischen Fadenbündeln eine überlegene mechanische Leistung. Es reduziert Einschränkungen, die durch die interfaciale Oberflächenrauheit der Mikrogel‑Partikel entstehen.

Sofortiges Aushärten

Die Ingenieure stellten das Gel aus einer Mischung von Lösungsmitteln her, die die Tinte sofort aushärten lässt, sobald sie damit in Kontakt kommt. Das sofortige Aushärten unterstützte den Druckprozess dabei, komplexe, extrem dünne Strukturen zu realisieren, die mit früheren Methoden und Materialien unmöglich gewesen wären.

Test des eingebetteten 3D‑Drucks

Um ihre Theorie zu prüfen, entwickelte das Team einen eigens konstruierten 3D‑Drucker. Das Gerät integrierte ein Präzisions‑Bewegungs­stagesystem, ein Dosiersystem und einen Steuercomputer, ähnlich wie bei den meisten kommerziell erhältlichen Einheiten. Der Hauptunterschied besteht darin, dass er innerhalb eines Stützgels mit viskoplastischer Fließkurve druckt.

Bemerkenswert testete das Team sieben verschiedene Tinten, um die beste Option zu finden. Die Auswahl umfasste Materialien von thermoplastischen Elastomeren bis hin zu Polystyrol und PVC. Weitere Tests untersuchten den Einsatz von Styrol‑Ethylen‑Buten‑Styrol‑Blockcopolymer (SEBS) und Toluol als Lösungsmittel.

Ergebnisse des eingebetteten 3D‑Drucks

Die Testergebnisse zeigten beeindruckende Fähigkeiten. Sie stellten fest, dass der Lösungsmittelaustausch zwischen der extrudierten Tinte eine schnelle Verfestigung ermöglicht und komplexere, detailreichere Drucke unterstützt. Der Drucker des Teams konnte mit einer Glasdüse einen Innendurchmesser von 5 µm erreichen. Dasselbe Gerät erreichte eine Dünnheitsauflösung von 1,5 µm bei freien Trajektorien.

Vorteile des eingebetteten 3D‑Drucks

Die Möglichkeit, Strukturen aus weichen Materialien mit einem Durchmesser von nur einem Mikrometer zu drucken, eröffnet eine Revolution in der Materialwissenschaft. Materialien und Strukturen, die dünne, haarähnliche Elemente nutzen, können ein neues Maß an struktureller Integrität bieten.

Schneller

Dieses Verfahren des eingebetteten 3D‑Drucks ist dank des sofortigen Aushärtens schneller als traditionelle Methoden. Das Team verzeichnete eine Verfestigung des extrudierten Polymerfilaments mit einer Geschwindigkeit von 2,33 µm/s. Beeindruckend ist, dass diese Daten 500.000‑mal schneller sind als bei konkurrierenden Verfahren.

Schnelle Fertigung

Zudem eröffnet die Möglichkeit, mehrere Düsen parallel zu drucken, Anwendungen für die großskalige Fertigung. Mehrere Düsen können wie ein Fließband eingerichtet werden, um komplexe Strukturen zu erzeugen. Diese Strukturen können verschiedene Materialien integrieren und somit elektrische Schaltkreise, Schalter und vieles mehr drucken.

Flexibilität

Die Forschung zeigt, dass 3DPX eine breite Palette von Materialien unterstützen kann, darunter mehrere kommerziell verfügbare Polymere, Lösungsmittel und nicht‑Lösungsmittel‑Komponenten. Diese Flexibilität erleichtert die Integration des Prozesses in die bestehenden Fertigungsverfahren.

Was die Technologie des eingebetteten 3D‑Drucks für Halbleiter bedeutet

Dieser neueste Ansatz würde es Ingenieuren ermöglichen, vollständig aktive, 3D‑gedruckte Halbleiter zu erzeugen, indem sie jüngste Durchbrüche wie vollständig 3D‑gedruckte zurücksetzbare Sicherungen nutzen. Dieser technologische Durchbruch könnte erhebliche Auswirkungen auf die Halbleiterindustrie haben und Wissenschaftlern schließlich erlauben, die Herstellung dieser Bauteile erschwinglicher, effizienter und leistungsfähiger zu gestalten.

Forscher des eingebetteten 3D‑Drucks

Dr. Wonsik Eom von der Abteilung für Faser‑Konvergenz‑Materialtechnik an der Dankook University in Südkorea arbeitete zusammen mit einem Team von Ingenieuren, darunter die MechSE‑Professoren Sameh Tawfick und Randy Ewoldt, um diese neue 3D‑Druckstudie der Öffentlichkeit zu präsentieren. In Zukunft planen sie, die Tests zu erweitern, um noch mehr Materialien und Gele zu untersuchen.

Unternehmen, die die Branche des eingebetteten 3D‑Drucks anführen

Die additive Fertigung hat in den letzten zehn Jahren große Fortschritte gemacht. Heute reichen die verschiedenen Druckverfahren von der Herstellung von Verbundwerkstoffen für Raumfahrzeuge bis hin zum Druck menschlicher Organe und allem dazwischen. Hier ist ein Unternehmen, das bereit ist, jede Weiterentwicklung im 3D‑Druck zu maximieren.

Materialise

Das belgische 3D‑Druck‑Software‑ und Fertigungsunternehmen Materialise (MTLS ) bleibt ein Vorreiter auf dem Markt. Es wurde 1990 von Wilfried Vancraen und Hilde Ingelaere gegründet, um schnelle Prototyping‑Optionen für Hersteller anzubieten. Beeindruckend hat das Unternehmen in den letzten drei Jahrzehnten mehrere Erstentwicklungen eingeführt.

Heute ist die 3D‑Druck‑Software von Materialise bei Herstellern wegen ihrer modularen Nutzung beliebt. Konkret gibt es Module zur Gittererstellung und zur Bauteil‑Verschachtelung. Diese Optionen helfen Entwicklern, leichtere und stärkere Designs zu erstellen und könnten sich ideal für die Herstellung mikron‑dünner Strukturen eignen.

Materialise bietet Produkte für zahlreiche Branchen an, von der Medizintechnik bis zu industriellen Anwendungsfällen. Das Unternehmen gilt als eine der führenden 3D‑Druck‑Aktienoptionen für Investoren. Daher könnte es eine kluge Ergänzung für das Portfolio von Anlegern sein, die nach einer renommierten 3D‑Druck‑Aktie mit jahrzehntelanger Erfahrung suchen.

Eingebetteter 3D‑Druck – Schnellere und leichtere Computer

Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für ultra‑dünne, 3D‑geprägte Strukturen. Betrachtet man das Bestreben von Hardware‑Entwicklern, ganze Chips in einem einzigen Prozess zu drucken, wird die Forschung dieses Teams künftig eine wertvolle Ressource sein. Zum einen eröffnet diese Forschung die Tür zu vielen Durchbrüchen in der Materialwissenschaft und anderen Bereichen.

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Studienreferenz:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Schneller 3D‑Druck feiner, kontinuierlicher und weicher Fasern mittels eingebettetem Lösungsmittelaustausch. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}