Thermoelektrische Materialien aus dem 3D-Drucker

Thermoelektrische Wandler transportieren Wärme durch elektrischen Strom und können damit gezielt kühlen. Sie zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und Anpassungsfähigkeit aus, da sie ohne bewegliche Teile auskommen. Bisherige Herstellungsverfahren, die auf massiven Materialblöcken basieren, sind jedoch kostspielig und mit hohen Materialverlusten verbunden. 

Ein Team unter der Leitung von Maria Ibáñez, Professorin für Energiewissenschaften und Leiterin des Werner Siemens Thermoelectric Laboratory am ISTA, hat gemeinsam mit Postdoktorand Shengduo Xu thermoelektrische Materialien im 3D-Druckverfahren hergestellt. Xu erläutert: „Unsere innovative Integration des 3D-Drucks in die Herstellung thermoelektrischer Kühler verbessert die Fertigungseffizienz erheblich und senkt die Kosten.“ 

Bisher wurden thermoelektrische Materialien in aufwendigen Blockfertigungsverfahren hergestellt. Die Forschenden des ISTA haben eine Methode entwickelt, mit der Materialien direkt in der benötigten Form gedruckt werden können. Dadurch entfällt die aufwändige Nachbearbeitung, und der Materialverbrauch wird deutlich reduziert. 

„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. 

Ein zentrales Element der neuen Methode ist die speziell entwickelte Drucktinte. Beim Verdampfen des Lösungsmittels entstehen effektive atomare Bindungen zwischen den Materialkörnern. Dadurch wird die elektrische Ladungsübertragung verbessert, was die Leistungsfähigkeit der thermoelektrischen Materialien steigert. Ibáñez erklärt: „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. 

Neben der Kühlung von elektronischen Geräten eröffnen sich weitere Anwendungsbereiche für thermoelektrische Kühler. In der Medizin könnten sie beispielsweise zur Behandlung von Verbrennungen oder Muskelverspannungen eingesetzt werden. Zudem bietet die entwickelte 3D-Druckmethode Potenzial für die Herstellung von Hochtemperatur-Thermoelektrogeneratoren, die Energie aus Temperaturunterschieden gewinnen. 

COMPAMED.de; Quelle: Institute of Science and Technology Austria