Aktive Elektronik basiert auf Halbleiterbauteilen, deren Fertigung in großen Stückzahlen weltweit nur von wenigen Fertigungszentren beherrscht wird. Ein komplettes, aktives elektronisches Gerät ohne Halbleiter in 3D zu drucken, könnte die Fertigung einfacher Elektronik in Unternehmen oder Labors ermöglichen.
Die Umsetzung dieser Idee liegt noch in weiter Ferne. Eine Forschergruppe am US-amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat aber einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan, indem sie vollständig 3D-gedruckte, rückstellbare Sicherungen demonstriert hat, die Schlüsselkomponenten aktiver Elektronik sind, für die normalerweise Halbleiter benötigt werden.
Bei einem anderen Projekt, bei dem die Forscher durch den 3D-Druck von mit Kupfernanopartikeln dotiertem Polymerfilament Magnetspulen herstellten, stießen sie auf ein unerwartetes Phänomen: Die Einleitung eines starken, elektrischen Stroms in das Material ließ den Widerstand sprunghaft ansteigen und kurz nach Beendigung des Stromflusses auf sein ursprüngliches Niveau zurückkehren. Diese Eigenschaft ermögliche es prinzipiell, so die Forscher, Transistoren herzustellen, die als Schalter fungieren könnten, und im nächsten Schritt logische Gatter zu bilden.
Selbst nach 4.000 Schaltzyklen keine Verschlechterung
Die 3D-gedruckten, halbleiterfreien Bauteile, die sie mit einem kostengünstigen, biologisch abbaubaren Material hergestellt haben, könnten prinzipiell Schaltfunktionen ausführen wie halbleiterbasierte Transistoren. Die Technik sei zwar nicht geeignet, in Konkurrenz mit Silicium-Halbleitern zu treten, jedoch könnte sie für einfache, grundlegende Steuerungsvorgänge verwendet werden, so die Forscher.
Das Team nutzte nun dieses Phänomen, um in nur einem Prozessschritt Schalter zu drucken, die zur Herstellung von halbleiterfreien Logikgattern verwendet werden könnten. Die Strukturen werden aus dünnen, 3D-gedruckten Leiterbahnen aus dem kupferdotierten Polymer hergestellt. Sie enthalten sich kreuzende, leitende Bereiche, die es ermöglichen, den Widerstand durch Steuerung der in den Schalter eingespeisten Spannung zu regulieren. Experimente zeigten, dass die Bauelemente selbst nach 4.000 Schaltzyklen keine Anzeichen einer Verschlechterung aufwiesen. Das Verfahren verbraucht weniger Energie und erzeugt weniger Abfall.
In Zukunft wollen die Forscher am MIT diese Technologie nutzen, um voll funktionsfähige Elektronik zu drucken. Sie streben an, einen vollständig funktionierenden Magnetmotor nur mithilfe des 3D-Extrusionsdrucks herzustellen.
