Magnetisch unterstützter Abwurf

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5015 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Mikrostrukturierte Verbundwerkstoffe mit hierarchisch angeordneten Füllstoffen, die durch dreidimensionalen (3D-)Druck hergestellt werden, weisen verbesserte Eigenschaften entlang der Ausrichtungsrichtung der Füllstoffe auf. Allerdings ist es immer noch eine Herausforderung, eine gute Kontrolle der Füllstoffanordnung und gleichzeitig eine hohe Füllstoffkonzentration zu erreichen, was die Eigenschaften des gedruckten Materials einschränkt. In dieser Studie entwickeln wir eine magnetisch unterstützte Drop-on-Demand-3D-Drucktechnik (MDOD), um ausgerichtete mikroplättchenverstärkte Verbundwerkstoffe zu drucken. Durch das Drop-on-Demand-Drucken mit wässrigen Tintenschlämmen bei gleichzeitiger Anwendung eines externen Magnetfelds kann MDOD Verbundwerkstoffe mit Mikroplättchen-Füllstoffen drucken, die in bestimmten Winkeln ausgerichtet sind, mit hohen Füllstoffkonzentrationen von bis zu 50 Vol.-%. Darüber hinaus ermöglicht MDOD den Multimaterialdruck mit voxelierter Steuerung. Wir demonstrieren die Fähigkeiten von MDOD, indem wir piezoresistive Multimaterial-Sensoren mit abstimmbaren Leistungen basierend auf der lokalen Mikrostruktur und Zusammensetzung drucken. MDOD schafft somit einen großen Designraum, um die mechanischen und funktionalen Eigenschaften von 3D-gedruckten Elektronik- oder Sensorgeräten unter Verwendung einer breiten Palette von Materialien zu verbessern.

Beim dreidimensionalen (3D-)Druck handelt es sich um eine Fertigungstechnologie, die durch schichtweises Auftragen freigeformte 3D-Strukturen erzeugt. Traditionell wird der 3D-Druck für die Prototypenfertigung in Kleinserien mit begrenzten Materialkompatibilitäten verwendet. Jüngste Fortschritte haben jedoch den 3D-Druck weiterer Materialklassen für den Einsatz in multidisziplinären Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Robotik, biomedizinische und elektronische Anwendungen ermöglicht1,2,3,4. In jüngerer Zeit wurde der 3D-Druck auf die Herstellung mikrostrukturierter Verbundwerkstoffe ausgeweitet, die aus geordnet angeordneten 1D-Faser- oder 2D-Plattenförmigen anisotropen Verstärkungsfüllstoffen bestehen. Mikrostrukturierte Verbundwerkstoffe sind interessant, da sie zu überlegenen Eigenschaften führen. Beispielsweise werden bioinspirierte Bouligand- und Perlmutt-ähnliche Strukturen durch gestapelte Schichten ausgerichteter steifer Fasern bzw. Plättchen innerhalb einer weichen Matrix gebildet. Diese Strukturen weisen aufgrund des hohen Füllstoffgehalts eine hohe Steifigkeit auf, während ihr Schichtaufbau die Struktur härter macht5. Neben den mechanischen Eigenschaften weisen mikrostrukturierte Verbundwerkstoffe, die funktionelle Füllstoffe wie ausgerichtetes Graphen oder Mikroplättchen aus hexagonalem Bornitrid (hBN) enthalten, auch verbesserte thermische und elektrische Eigenschaften auf6,7. Obwohl auf dem Gebiet des 3D-Drucks aufregende Fortschritte erzielt wurden, ist die Herstellung dieser mikrostrukturierten Verbundwerkstoffe aufgrund der erforderlichen komplexen anisotropen und aus mehreren Materialien bestehenden Schichtstruktur immer noch eine Herausforderung.

Eine Strategie zum Drucken mikrostrukturierter Verbundwerkstoffe besteht darin, Multimaterialmethoden wie Polyjet-Druck oder Fused Deposition Modeling zu verwenden, um Kombinationen aus weichen und steifen Materialien zu drucken8,9,10. Allerdings beschränken sich solche Techniken in der Regel auf das Drucken von Polymeren mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und können nicht die gleichen Eigenschaften wie Verbundwerkstoffe mit echten steifen Füllstoffen erreichen. Aktuelle Methoden, die Tinten mit steifen Füllstoffen verwenden, nutzen im Allgemeinen eine scherinduzierte oder feldunterstützte Ausrichtung der Füllstoffe11,12. Der 3D-Druck von mikrostrukturierten Verbundwerkstoffen, die durch 1D-Füllstoffe verstärkt sind, ist einfacher zu realisieren, da die Füllstoffe nur in einer Richtung ausgerichtet werden müssen. Umgekehrt ist die Herstellung von mikrostrukturierten 2D-Kompositen auf Plättchenbasis anspruchsvoller, da die Füllstoffe eine zusätzliche Achse zur Ausrichtung haben. Dennoch wurde der 3D-Druck von Verbundwerkstoffen auf Plättchenbasis in verschiedenen Forschungsgruppen durchgeführt. Yang et al. 3D-gedruckte, von Perlmutt inspirierte Graphen-Nanoplättchenstrukturen innerhalb eines fotohärtbaren Harzes unter Verwendung einer Methode der elektrischen Feld-unterstützten Stereolithographie (SLA)13. Auf ähnliche Weise wurden auch Magnetfelder verwendet, um Aluminiumoxid-Mikroplättchen in 3D-gedruckten, fotohärtbaren Polymeren biaxial auszurichten14,15. Während diese Methoden beim Drucken mikrostrukturierter Materialien wirksam sind, begrenzt die Verwendung von fotohärtbaren Polymertinten die Füllstoffbeladungen, da hohe Füllstoffbeladungen zu hohen Tintenviskositäten führen, die die Rotation der Mikroplättchen während der Ausrichtung behindern. Infolgedessen weisen die endgültigen Verbundwerkstoffe häufig niedrige Feststoffbeladungen von <15 Vol.-% auf, was ihre Eigenschaften einschränkt. Um Verbundwerkstoffe mit höheren Feststoffbeladungen herzustellen, haben Feilden et al. verwendeten Direct Ink Writing (DIW), um Keramikverbundwerkstoffe mit einer Hydrogeltinte auf Aluminiumoxidbasis zu drucken. Die beim Drucken entstehenden Scherkräfte richteten die Mikroplättchen entlang des kreisförmigen Umfangs der Abgabedüse aus16. Obwohl Proben mit hohen Feststoffgehalten von ~50 Vol.-% gedruckt wurden, kann die Füllstoffausrichtung nicht frei kontrolliert werden. Daher wäre eine Drucktechnik, die die Kontrolle der Füllstofforientierung ermöglicht und gleichzeitig hohe Feststoffbeladungen in den gedruckten Strukturen aufrechterhält, äußerst wünschenswert.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz von lösungsmittelhaltiger Slurry-Tinte eine vielversprechende Option. Diese Tintentypen haben im Allgemeinen niedrigere Viskositäten als Tinten auf Harzbasis, wodurch sich die Füllstoffe leichter ausrichten lassen. Gleichzeitig kommt es durch die Verdunstung des Lösungsmittels zu einer Verdichtung, die zu Strukturen mit hohen Feststoffgehalten führt17. Diese Strategie wurde zuvor beim magnetisch unterstützten Schlickerguss verwendet, um mikrostrukturierte Verbundwerkstoffe mit hohem Feststoffgehalt und kontrollierbarer Mikroplättchenausrichtung herzustellen18. Durch die Verwendung ähnlicher wässriger Aufschlämmungen in einer Drop-on-Demand-3D-Drucktechnik, ergänzt durch Magnetfelder zur Ausrichtung, konnte eine zusätzliche Voxelkontrolle in den gedruckten Strukturen erreicht werden.

In dieser Arbeit wenden wir dieses Prinzip an und entwickeln eine 3D-Drucktechnik, die wir magnetisch unterstütztes Drop-on-Demand-Drucken (MDOD) nennen. MDOD kann mikrostrukturierte Verbundwerkstoffe auf Mikroplättchenbasis mit hohen Füllstoffgehalten von bis zu ~50 Vol.-% und mit lokal unterschiedlicher Füllstofforientierung und -zusammensetzung drucken. Um dies zu erreichen, werden wässrige Tinten mit magnetisch reagierenden anisotropen Mikroplättchen in Tröpfchen auf einem Substrat abgeschieden, während ein Magnetfeld angelegt wird, um die Ausrichtung des Füllstoffs zu induzieren. Wir zeigen auch, dass MDOD problemlos auf verschiedene Arten von Mikroplättchen angewendet werden kann, was die Möglichkeit des Multimaterialdrucks eröffnet. Die Material- und Füllstoffausrichtung in jedem einzelnen Tropfen kann abgestimmt werden, um eine voxelierte Kontrolle der gesamten gedruckten Struktur zu ermöglichen. Um die Vorteile von MDOD zu demonstrieren, werden multifunktionale Geräte wie piezoresistive Sensoren hergestellt und ihre Leistungen und Einschränkungen bewertet. Durch die Steuerung ihrer lokalen Mikrostruktur und Zusammensetzung werden die mechanischen und funktionellen Eigenschaften verbessert. Die Möglichkeit, die Materialzusammensetzung und Mikrostruktur zu variieren, schafft einen großen Designraum, um die Geräteleistung auf die Anforderungen der Zielanwendungen abzustimmen. Die hier vorgestellte Arbeit kann zur Herstellung neuartiger mikrostrukturierter Materialien genutzt werden und bietet auch einen alternativen Ansatz zur Verbesserung der Leistung von 3D-gedruckten Funktionsgeräten.

Um voxelierte und mikrostrukturierte Mikroplättchenkomposite mit hohem Feststoffgehalt zu erhalten, kombiniert MDOD magnetische Ausrichtung mit Drop-on-Demand-Druck unter Verwendung von Aufschlämmungstinten. Diese Tinten bestehen aus magnetisch reagierenden Mikroplättchen, die in einem Lösungsmittel mit einem Polymerbindemittel dispergiert sind. Die Mikroplättchen werden durch Funktionalisierung mit superparamagnetischen Nanopartikeln (SPIONs)19 magnetisch reaktiv gemacht. Während des Druckvorgangs trägt ein Droplet-on-Demand-Drucker Tintentröpfchen mit Mikroplättchenkonzentrationen ϕi auf ein Substrat auf (Abb. 1). Währenddessen wird ein Magnetfeld der Stärke B angelegt, das mit einer Frequenz f über einer kritischen Frequenz rotiert, um die biaxiale Ausrichtung der Mikroplättchen in der Ebene der Magnetfeldrotation zu induzieren. Die Ausrichtung der Mikroplättchen, definiert durch den Winkel θ in Bezug auf die Ebene des Substrats, kann nach Wunsch eingestellt werden. Anschließend kommt es zu einer Sedimentation, die die Thrombozytenkonzentration von ϕi auf einen Endwert ϕf verdichtet. Während Sedimentation bei Druckfarben typischerweise unerwünscht ist, trägt die Sedimentation in MDOD dazu bei, die Mikroplättchenkonzentration weiter zu erhöhen, um eine hohe Thrombozytenkonzentration zu erreichen. Obwohl dies zu Stabilitätsproblemen für die im 3D-Drucker gespeicherte Tinte führt, kann dies durch die Anwendung von Vibrationen auf die Tintenbehälter behoben werden, um die Tinte vor dem Drucken zu verteilen. Sobald das gesamte Lösungsmittel verdunstet ist, bleibt schließlich eine Struktur aus ausgerichteten Mikroplättchen zurück, die durch das polymere Bindemittel zusammengehalten werden. Durch kontinuierliches Auftragen von Tinten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen kann MDOD voxelierte Strukturen aus mehreren Materialien herstellen. In die gedruckte Struktur kann auch eine Polymermatrix infiltriert werden, um ein mikrostrukturiertes Verbundmaterial zu bilden. MDOD kann ein hohes Maß an Kontrolle erreichen, da jedes Tröpfchen eine Voxeleinheit der gesamten gedruckten Struktur bildet. In dieser Studie verwendeten wir aufgrund seiner hohen Oberflächenspannung Wasser als Tintenlösungsmittel, um die Auflösung jeder Voxeleinheit zu maximieren.

Bei MDOD werden Tintentröpfchen, die magnetisch reagierende Mikroplättchen enthalten, von einem Drucker aufgetragen und ein rotierendes Magnetfeld an die gedruckten Tröpfchen angelegt. Der Einschub unten links zeigt die elektronenmikroskopische Aufnahme der Mikroplättchen, die mit superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln funktionalisiert wurden, um sie magnetisch reagieren zu lassen. Zusammenfassend durchlaufen die Tröpfchen vier Schlüsselschritte. Nachdem die Tröpfchen auf dem Substrat abgeschieden wurden (Schritt 1. Abscheidung), werden die Mikroplättchen durch das Magnetfeld mit der Feldstärke B und der Rotationsfrequenz f ausgerichtet. (Schritt 2. Ausrichtung) während die Sedimentation erfolgt (Schritt 3. Sedimentation), bis das Lösungsmittel vollständig getrocknet ist (Schritt 4. Trocknen). Die Endkonzentration ϕf der Blutplättchen ist während dieses Prozesses höher als die Anfangskonzentration ϕi, was zu verdichteten Strukturen führt. Der Einschub unten rechts zeigt die elektronenmikroskopische Aufnahme eines getrockneten, ausgerichteten Tropfens. Die endgültige gedruckte Struktur kann eine voxelierte Positionskontrolle des Materials und der Plättchenausrichtung aufweisen. Der Einschub oben rechts zeigt ein Beispiel eines mit dieser Technik hergestellten voxelierten Multimaterial- und Mikrostrukturobjekts. Das schwarze Material ist Graphit und das helle Material ist Bornitrid.

Ein Schlüsselfaktor für eine gute Kontrolle der Mikroplättchenausrichtung und -verdichtung ist die Optimierung der Mikroplättchenkonzentration in der Tinte. Wir verwendeten zunächst mit Titandioxid beschichtete Mikroplättchen aus Aluminiumoxid (xiral), um die Verdichtung und Ausrichtung der Tinte zu untersuchen, da sie über eine reflektierende Plättchenoberfläche verfügen, die eine einfache Identifizierung der Ausrichtung während des Druckvorgangs ermöglicht.

Das Trocknungsverhalten eines einzelnen Tintentropfens wurde untersucht, da es die Grundlage des 3D-Druckprozesses bildet. Aufgrund ihrer relativ großen Plättchenabmessungen betrug der maximale Plättchengehalt in der Tinte etwa ϕmax = 10,5 Vol.-% (ergänzende Abbildung 1). Tintentröpfchen mit einer xirallischen Konzentration von ϕi = 5 Vol.-% wurden auf zwei verschiedenen Substraten, Kupfer und Glas, abgeschieden, vertikalen Magnetfeldern ausgesetzt und die Entwicklung der Tröpfchenprofile mit einem optischen Mikroskop beobachtet (Abb. 2a). Den optischen Bildern zufolge waren die glänzenden xiralischen Plättchen zunächst im Tröpfchen verteilt. Ihr glänzendes Aussehen deutete darauf hin, dass sie vertikal zum Magnetfeld ausgerichtet waren. Aufgrund ihrer relativ großen Größe und Dichte im Vergleich zu Wasser begannen sie nach einiger Zeit zu sedimentieren. Durch Verfolgung des Volumens, in dem die xirallischen Partikel dispergiert waren, konnte die Änderung der Blutplättchenkonzentration abgeschätzt werden (Einzelheiten siehe Zusatzinformationen). Die Plättchenkonzentration stieg mit der Zeit auf einen Endwert, ϕf, von 17,5 Vol.-% bzw. 13 Vol.-% für Kupfer- bzw. Glassubstrate. Diese Werte von ϕf lagen weit über der Anfangskonzentration ϕi und dem maximalen Thrombozytengehalt ϕmax von 10,5 Vol.-%. Dies ist wahrscheinlich auf die magnetisch induzierte Ausrichtung der Mikroplättchen untereinander zurückzuführen, die es ihnen ermöglicht, im Vergleich zu einer zufällig ausgerichteten Probe viel enger zusammenzupacken. Unabhängig von der angestrebten Ausrichtung der Mikroplättchen kam es zu ähnlichen Verdichtungsgraden. Dies ist ein spannendes Ergebnis, da es die Möglichkeit eröffnet, Strukturen mit hohem Plättchengehalt zu drucken, der nicht durch ϕmax eingeschränkt ist. Das Vorhandensein des Magnetfelds ist zwingend erforderlich, da Tröpfchen, die ohne externes Magnetfeld getrocknet werden, zufällige Mikrostrukturen und eine nicht flache Oberfläche aufweisen, was sie für den 3D-Druck ungünstig macht (ergänzende Abbildung 2).

a Das obere Feld zeigt die optischen Bilder eines vertikal ausgerichteten xiralischen Tröpfchens während der Sedimentation und Trocknung auf einem Kupfersubstrat. Der gepunktete Bereich stellt das Volumen dar, in dem sich die xiralischen Plättchen während der Sedimentation konzentrieren. Das untere Feld zeigt den Plättchenvolumenanteil \(\phi\) als Funktion der Zeit für Tröpfchen, die auf zwei verschiedenen Substraten, Kupfer (schwarz) und Glas (blau), für eine anfängliche Tintenkonzentration von 5 Vol.-% abgeschieden wurden. ϕmax stellt den maximalen Volumenanteil an Mikroplättchen dar, der im Tintenlösungsmittel dispergiert werden kann. b Variation der endgültigen Thrombozytenkonzentration, ϕf und Tröpfchenradius mit dem Kontaktwinkel des Tröpfchens auf drei verschiedenen Substraten. c Beziehung zwischen der anfänglichen Plättchenkonzentration in der Tinte (ϕi) und der endgültigen Plättchenkonzentration (ϕf) der auf Kupfer- und Glassubstraten trocknenden Tröpfchen. Alle Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Messungen dar.

Der zwischen Kupfer- und Glassubstraten beobachtete Unterschied im ϕf ist wahrscheinlich auf Unterschiede in den Kontaktwinkeln der Tinte auf verschiedenen Substraten zurückzuführen. Dies wurde durch Abscheiden von Tintentröpfchen auf mit Gold besprühten Glassubstraten verifiziert, die einen geringeren Kontaktwinkel als Kupfer und Glas aufweisen (ergänzende Abbildung 3). Es wird beobachtet, dass ϕf mit dem Kontaktwinkel zunimmt, was auf den Ausbreitungsgrad des Tröpfchens zurückzuführen ist (Abb. 2b). Tröpfchen mit größerem Kontaktwinkel breiten sich über kleinere Flächen aus. Dadurch gibt es mehr Mikroplättchen pro Flächeneinheit, und wenn sie sedimentieren, üben sie eine größere Abwärtskraft auf die unteren Mikroplättchenschichten aus, wodurch sie enger zusammengepackt werden.

Um die Obergrenze von ϕf zu ermitteln, haben wir die anfängliche Mikroplättchenkonzentration ϕi der Tinte weiter angepasst (Abb. 2c). Im Allgemeinen führte ein Anstieg von ϕi zu einem Anstieg von ϕf, bis die anfängliche Thrombozytenkonzentration zu groß wurde. Die Tinte mit ϕi = 10 Vol.-%, die nahe bei ϕmax lag, zeigte nach dem Trocknen einen minimalen Anstieg von ϕf. Darüber hinaus blieb die Tröpfchenprofilform dieser Tinte nach dem Trocknen kugelförmig, ähnlich wie bei Tröpfchen, die nicht auf Magnetfelder ausgerichtet waren. Dieses Verhalten lässt sich auf die hohe Plättchenkonzentration zurückführen, die zu einer hohen Tintenviskosität führte, die die Rotation der Plättchen während der Ausrichtung behinderte. Die fehlende magnetische Ausrichtung im Tröpfchen begrenzte die Verdichtung, da die Plättchen keine geordnetere und gepacktere Struktur erreichen können. Für die xiralische Tinte lag der höchste erreichbare ϕf bei etwa 22,5 Vol.-%, erhalten für ϕi = 7,5 Vol.-%.

Ein hoher ϕf trägt nicht nur zu einer hohen Plättchenkonzentration im getrockneten gedruckten Tröpfchen bei, sondern ist auch für die Aufrechterhaltung der Ausrichtung nach dem Trocknen erforderlich. Beim Trocknen entsteht eine Kapillarkraft zwischen benachbarten Mikroplättchen, die dazu führt, dass diese gegeneinander kollabieren und ihre Ausrichtung gestört wird20. Eine hohe Mikroplättchenkonzentration erhöht den Widerstand gegen diese Kapillarkraft und hält die Mikroplättchen in Richtung des Magnetfelds ausgerichtet.

Um dieses Phänomen zu verifizieren, wurden die Querschnitte von Tröpfchen mit variierendem ϕf, die unter einem Zielausrichtungswinkel von θ = 90° gedruckt wurden, charakterisiert (Abb. 3a). Die Abweichung der Ausrichtung der Mikroplättchen vom Ziel θ wurde gegen ϕf aufgetragen. Wie erwartet konnten die xiralischen Mikroplättchen die angestrebte 90°-Ausrichtung bei niedrigem ϕf nicht beibehalten. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen, dass die Mikroplättchen wahrscheinlich aufgrund der Kapillarkräfte kollabierten. Mit zunehmendem ϕf verbesserte sich die Ausrichtung der Mikroplättchen. Wenn ϕf über 14 Vol.-% ansteigt, richten sich die xirallischen Plättchen gut auf die Zielausrichtung aus, mit einer Fehlausrichtung von weniger als 18°, was dem entspricht, was man bei anderen magnetisch ausgerichteten vertikalen Strukturen erhält21. Es ist interessant festzustellen, dass dieser Trend der Plättchenausrichtung unabhängig vom verwendeten Substrat nur von ϕf abhängt. Dies ermöglicht eine flexible Auswahl der Substrate, solange die anfängliche Mikroplättchenkonzentration so abgestimmt ist, dass ϕf optimiert wird.

a Variation der Mikroplättchenausrichtungsabweichung in Bezug auf den angestrebten 90°-Winkel im getrockneten Tropfen, der auf Glassubstraten (blau) und Kupfersubstraten (schwarz) abgeschieden wurde, als Funktion der endgültigen Plättchenkonzentration ϕf. Der schattierte Bereich zeigt den Bereich, in dem die Plättchen entsprechend dem angestrebten 90°-Winkel ausgerichtet sind. (i), (ii), (iii) und (iv) beziehen sich auf die Bilder rechts, bei denen es sich um elektronenmikroskopische Querschnittsaufnahmen der Tröpfchen bei ϕf = 7,5, 11,3, 13,9 bzw. 17,9 Vol.-% handelt. b Schematische Darstellung der Kapillarströmungen, die in einem trocknenden liegenden Tröpfchen erzeugt werden, und des daraus resultierenden Drehmoments \(\tau\)cap, das auf die Blutplättchen innerhalb des Tröpfchens wirkt. c Mikroaufnahmen der Querschnitte von Tröpfchen, die unter einem Magnetfeld von 7,5 mT getrocknet wurden, was unterhalb der kritischen Feldstärke Bkrit liegt (oben), und unter einem Magnetfeld von 15 mT, das über Bkrit liegt (unten). Beide Tröpfchen hatten einen ϕi von 5 Vol.-% und wurden auf einem Glassubstrat abgeschieden. Die Zielausrichtung war vertikal (90°). d Bcrit als Funktion der Kapillarkräfte, denen ein Blutplättchen ausgesetzt ist. Experimentelle Datenpunkte werden mit berechneten Daten angepasst (gepunktete Linie). Alle Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Messungen dar.

Ein weiterer Faktor, der dabei hilft, die endgültige Ausrichtung der Blutplättchen aufrechtzuerhalten, ist die Stärke des angelegten Magnetfelds. Das Magnetfeld erzeugt auf dem Mikroplättchen ein Drehmoment, dem normalerweise viskose Drehmomente und Gravitationsdrehmomente entgegenwirken22. Bei MDOD erfahren die Mikroplättchen ein zusätzliches Drehmoment, das sie in eine Fehlausrichtung bringt. In sessilen Tröpfchen entstehen beim Trocknen kapillare Strömungen, die vom Tröpfchenzentrum radial nach außen gerichtet sind23. Wenn sich diese Kapillarströme an den ausgerichteten Mikroplättchen vorbeibewegen, üben sie ein zusätzliches Drehmoment aus, das die Plättchen in Richtung des Substrats dreht (Abb. 3b). Daher sollte beim Drucken ein Magnetfeld angelegt werden, das größer als das kritische Magnetfeld Bcrit ist, damit die Mikroplättchen ihre Zielausrichtung beibehalten (Abb. 3c). Wenn das Magnetfeld schwächer als Bkrit ist, neigen sich die Mikroplättchen aufgrund der Kapillarströmungen zu den äußeren Rändern des Tropfens (Abb. 3c, oben). Wenn umgekehrt das angelegte Magnetfeld stärker als Bcrit ist, blieben die Mikroplättchen nach dem Trocknen im gesamten Tröpfchen vertikal ausgerichtet (Abb. 3c, unten).

Um die für eine gute Ausrichtung erforderliche minimale Magnetfeldstärke zu bestimmen, haben wir Bcrit geschätzt, indem wir mathematische Modelle in Bezug auf Kapillarflüsse in sessilen Tröpfchen und magnetischen Drehmomenten während der magnetischen Ausrichtung kombiniert haben (Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen). Kurz gesagt, wir haben ein Modell von Deegan et al. verwendet. um die Kapillarflüsse innerhalb eines Tropfens abzuschätzen24. Die Kapillarflüsse hängen grundsätzlich vom Kontaktwinkel des Tropfens und der Verdunstungsrate des Lösungsmittels ab. Da die Kapillarflüsse zeit- und ortsabhängig sind, wurde ein Durchschnittswert für verschiedene Tröpfchen berechnet. Anschließend wurden die durch die Strömung erzeugten Kräfte und Drehmomente abgeschätzt. Schließlich wurde dieses Kapillardrehmoment mit anderen relevanten Drehmomenten im System kombiniert und Bcrit wurde geschätzt, wenn das magnetische Drehmoment mit den gesamten Gegendrehmomenten im Gleichgewicht ist. Die geschätzten Werte wurden dann mit experimentellen Werten abgeglichen, die durch Variation des Magnetfelds gemessen wurden, das auf auf verschiedenen Substraten abgelagerte Tröpfchen angewendet wurde (Abb. 3d). Mithilfe des mathematischen Modells lässt sich somit die magnetische Feldstärke abschätzen, die beim Drucken auf die Tröpfchen wirken sollte.

Nachdem die Tintenkonzentration optimiert wurde, um eine kontrollierte Ausrichtung der Blutplättchen innerhalb einzelner Tröpfchen zu erreichen, wurden voxelierte Strukturen mit lokaler Kontrolle der Ausrichtung der Mikroplättchen mithilfe von MDOD gedruckt (Abb. 4). Abbildung 4a zeigt unterschiedliche Orientierungen in einzelnen Tröpfchen, die die Grundlage eines Voxels bilden. Die elektronenmikroskopischen Querschnittsaufnahmen zeigen, dass der Mikroplättchenwinkel θ beliebig von 0° bis 90° variiert werden kann. Die seitliche Richtung, in die die Mikroplättchen zeigen, kann ebenfalls eingestellt werden, wie anhand der Oberflächenbilder zu erkennen ist.

a Optische Bilder gedruckter ausgerichteter Tröpfchen mit Mikroplättchenausrichtung in verschiedenen Winkeln \(\theta\). Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen die Oberflächenmorphologie (Mitte) und den Querschnitt (rechts) der entsprechenden Tröpfchen. Die orangefarbenen Pfeile auf den Oberflächenmorphologiebildern stellen den Normalenvektor der Blutplättchen dar, der ihre seitlichen Richtungen anzeigt. b Schematische Darstellung einer mehrschichtigen Struktur mit unterschiedlichen Plättchenwinkeln \(\theta\) in jeder Schicht und die elektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts der entsprechenden gedruckten Struktur nach der Infiltration mit einem Harz. Das Bild ist basierend auf der Mikroplättchenausrichtung mithilfe von OrientationJ farbcodiert. c Schematische Darstellung einer 3 × 3-voxelierten Probe, die mit unterschiedlichen Plättchenausrichtungen in horizontaler und vertikaler Richtung gedruckt wurde, und die Mikroaufnahme der entsprechenden gedruckten Struktur nach der Infiltration mit einer Polymermatrix. Die vertikalen gelben gepunkteten Linien zeigen die Trennung zwischen den drei Spalten des Designs an.

Anschließend können vertikale Mikrosäulenstrukturen hergestellt werden, indem beim Drucken Tintentröpfchen aufeinander aufgetragen werden. Das Drucken von Tröpfchen auf bereits gedruckte Teile sollte erfolgen, bevor die darunter liegende Struktur vollständig getrocknet ist, da die getrockneten Strukturen porös sind und hohe Kapillardrücke erzeugen, die die Ausrichtung der frischen Tinte stören (weitere Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen). Da die Plättchenausrichtung in jedem Tröpfchen variiert werden kann, können die resultierenden Schichten innerhalb der Mikrosäule unterschiedliche Plättchenausrichtungen aufweisen. Abbildung 4b zeigt ein Beispiel einer solchen Struktur, die mit sich wiederholenden Mikroplättchenwinkeln in einer vorgefertigten Reihenfolge von 0°, 45°, −45° und 90° gedruckt wurde. In dieser Probe wurde die gedruckte Struktur mit einem Epoxidharz infiltriert, um ein Verbundmaterial zu bilden. Aus der farbcodierten Mikroaufnahme des Querschnitts geht hervor, dass die Ausrichtung der Mikroplättchen durch die Infiltration nicht gestört wurde und die unterschiedliche Ausrichtung in jeder einzelnen Schicht erkennbar war. Durch das Drucken dieser Mikropillarstrukturen nebeneinander können vollständig voxelierte Strukturen erzielt werden. Dies wurde durch Drucken einer 3 × 3-Einheiten-Voxelstruktur mit abwechselnd 0° und 90° ausgerichteten Mikroplättchen-Voxeln demonstriert (Abb. 4c). Die Voxel können seitlich oder vertikal gedruckt werden, solange die bereits vorhandene Struktur nicht vollständig getrocknet ist.

Eine genauere Betrachtung der Voxel in Abb. 4c ergab Bereiche mit einer Fehlorientierung von ca. 150 μm Breite an den Grenzen zwischen horizontal benachbarten Voxeln (Bilder mit hoher Vergrößerung in ergänzender Abb. 4). Diese Bereiche werden wahrscheinlich durch das Benetzungsverhalten zwischen benachbarten Tröpfchen verursacht. Um dies zu überprüfen, haben wir beobachtet, was passierte, wenn ein frischer Tintentropfen neben einem vorhandenen Tropfen abgelagert wurde (Zusatzfilm 1). Aus dem aufgezeichneten Film war deutlich zu erkennen, dass etwas Lösungsmittel vom frischen Tropfen zum vorhandenen Tropfen floss. Bei diesen Strömen handelt es sich höchstwahrscheinlich um Marangoni-Strömungen, die aufgrund des Oberflächenspannungsgradienten zwischen den Tröpfchen entstehen, der durch die unterschiedlichen Dispergiermittelkonzentrationen zwischen einem frischen und einem teilweise getrockneten Tröpfchen entsteht25. Darüber hinaus waren diese Grenzen bei ~ 50 μm zwischen benachbarten Voxeln mit derselben Ausrichtung weniger ausgeprägt (ergänzende Abbildung 4c). Dadurch wird das Problem etwas gemildert, da die meisten gedruckten Strukturen keine häufige seitliche Änderung der Plättchenausrichtung erfordern würden. Daher kann bei einem Großteil des Strukturdesigns (>85 %) immer noch die gewünschte gute Ausrichtung beibehalten werden. Darüber hinaus hat dieses Benetzungsverhalten den Vorteil, dass die Tropfengrenzen zu einer geraden Linie verschmelzen und eventuelle Lücken zwischen den beiden einzelnen kreisförmigen Voxeln füllen.

Zusätzlich zum Drucken voxelierter Mikrostrukturen in hochkonzentrierten Verbundwerkstoffen ist MDOD auf eine Vielzahl von Mikroplättchengrößen und -materialien anwendbar. Um dies zu demonstrieren, haben wir ausgerichtete Tröpfchen mit Graphit-, hBN- und Kupfer-Mikroplättchen gedruckt, die wie zuvor beschrieben magnetisch reagierten (ergänzende Abbildung 5). Trotz unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften wie Abmessungen und Dichten können alle Mikroplättchen nach Optimierung der Tinten durch MDOD gedruckt und magnetisch ausgerichtet werden (Ergänzungstabelle 1). Kleinere Mikroplättchen wie Graphit und hBN erforderten einen höheren ϕi, um eine Ausrichtung zu erreichen, und könnten einen höheren ϕf (~50 Vol.-%) erreichen, als derzeit mit anderen Methoden berichtet wird. Darüber hinaus führt die anisotrope Natur dieser funktionellen Plättchen zu anisotropen Eigenschaften, die in den 3D-gedruckten Strukturen einstellbar sind (Abb. 5). Durch die Untersuchung der Beziehung zwischen dem Ausrichtungswinkel der Mikroplättchen und den Materialeigenschaften wird ein großer Gestaltungsspielraum zur Steuerung der Eigenschaften gedruckter Strukturen geschaffen.

a Variation der elektrischen Widerstandsanisotropie \({R}_{x}/{R}_{y}\) in Graphitstrukturen als Funktion des Mikroplättchenwinkels θ. Der Einschub zeigt die Richtungen, in denen Rx und Ry relativ zum Plättchenwinkel θ gemessen wurden. b Abkühlgeschwindigkeiten von hBN-Tröpfchen, die bei 0° (schwarz) und 90° (blau) ausgerichtet sind. Die Einfügung zeigt ein Wärmebild eines gedruckten hBN-Tröpfchens auf einem Siliziumwafer-Substrat, das nach dem Erhitzen auf 70 °C abkühlt. c Variation des Young-Moduls und der Vicker-Härte gesinterter xirallischer Tröpfchen mit dem Mikroplättchenwinkel θ. d Repräsentative Spannungs-Dehnungs-Kurven aus Kompressionstests, die an xiralischen PDMS-Strukturen durchgeführt wurden, die mit θ = 0° (lila), θ = 90° (schwarz) und mehrschichtigen (orange) Ausrichtungen gedruckt wurden. Der schattierte Bereich unter der Grafik stellt die Energie dar, die vom ersten Rissereignis bis zum Ausfall verloren ging. e Elektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts eines gedruckten Graphit-Xirall-Graphit-Kondensators. Der Einschub zeigt ein optisches Bild des Kondensators. Alle Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Messungen dar.

Zunächst wurden einstellbare elektrische Eigenschaften durch Drucken von Graphittröpfchen mit variierendem θ erreicht. Die elektrischen Widerstände entlang der Richtungen x und y, bezeichnet mit Rx bzw. Ry, wurden gemessen und das Verhältnis Rx/Ry gegen θ tabellarisch dargestellt (Abb. 5a). Es wird beobachtet, dass Rx/Ry zunahm, wenn die Ausrichtung der Graphit-Mikroplättchen von 0° auf 90° erhöht wurde. Dies ist auf die intrinsische Anisotropie in jedem Graphit-Mikroplättchen zurückzuführen, das parallel zur Plättchenoberfläche eine höhere Leitfähigkeit aufweist als durch seine Dicke26. Als die Graphitausrichtung von θ = 0° auf 90° zunahm, nahm der relative Grad der Leitung durch die Plättchendicke für Rx zu. Umgekehrt blieb Ry unabhängig von θ relativ konstant. Daher nahm Rx/Ry mit θ zu.

Als nächstes wurden mithilfe gedruckter hBN-Tröpfchen einstellbare anisotrope thermische Eigenschaften erhalten. Hier wurden hBN-Tröpfchen mit Ausrichtungen bei θ = 0° und 90° auf Siliziumsubstrate gedruckt, um ihre Verwendung als Wärmemanagementmaterial in der Elektronik nachzuahmen. Die Proben wurden auf 70 °C erhitzt und ihre Abkühlgeschwindigkeiten zurück auf Raumtemperatur mit einer Wärmebildkamera erfasst (Abb. 5b). Die Wärmeleitfähigkeit wird durch Perkolation und hBN-Orientierung bestimmt. Ähnlich wie Graphit weist hBN entlang der Oberfläche des Mikroplättchens eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als durch dessen Dicke27. Darüber hinaus ist auch die Perkolationsschwelle niedriger, wenn die hBN entlang der Richtung in der Ebene ausgerichtet sind. Da die beiden unterschiedlichen Ausrichtungen ähnliche Volumenanteile an hBN-Mikroplättchen aufweisen, sollte die Perkolation auch die Wärmeleitung in Richtung in der Ebene begünstigen. Daher wird erwartet, dass die Probe mit θ = 90° schneller abkühlen sollte, indem die Wärme über die Oberseite des Tropfens abgeleitet wird. Stattdessen war jedoch der gegenteilige Trend zu beobachten. Diese Beobachtung ist höchstwahrscheinlich auf Grenzflächeneffekte zwischen Silizium und hBN zurückzuführen. Das vertikal ausgerichtete hBN hat im Vergleich zum horizontal ausgerichteten hBN eine viel kleinere Kontaktfläche mit dem erhitzten Silizium. Darüber hinaus weist das horizontal ausgerichtete hBN zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit zur Tröpfchenoberfläche hin auf, weist jedoch zu den Seitenrändern der Tröpfchen hin eine hohe Leitfähigkeit auf, da dies die Richtung der Mikroplättchen in der Ebene ist. Dies würde eine schnelle Wärmeübertragung zum Rand der gedruckten Struktur ermöglichen, um die Probe abzukühlen.

Darüber hinaus wurden mit den xirallischen Tröpfchen einstellbare mechanische Eigenschaften demonstriert. Hier wurden bei unterschiedlichem θ gedruckte und ausgerichtete xiralische Strukturen bei 1600 °C gesintert, um Keramikproben zu bilden. Es wurde eine REM-Bildgebung durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Mikrostrukturen der Proben den Erwartungen des Druckprozesses entsprachen (ergänzende Abbildung 6b – d). Keramiken haben stärkere mechanische Eigenschaften als Polymerverbundwerkstoffe, sodass wir die Variation ihrer Eigenschaften mit θ besser untersuchen können. Sowohl der Young-Modul als auch die Vicker-Härte der Keramik stiegen mit θ von 22 GPa bzw. 0,26 GPa für horizontal ausgerichtete Proben auf 60 GPa bzw. 0,68 GPa für vertikal ausgerichtete Proben (Abb. 5c). Diese Trends stimmen mit berichteten Studien in der Literatur überein, die ergaben, dass die Mikroplättchen am Rand mechanisch stärker sind als an der Oberfläche28,29. Daher ermöglicht unser MDOD-Druck eine einstellbare mechanische Steifigkeit allein durch die Steuerung der Orientierungswinkel der Mikroplättchen.

Diese Konstruktionsfähigkeit kann genutzt werden, um ein Gleichgewicht zwischen schwer zu erreichenden Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, da hierarchische Strukturen dazu beitragen können, die Energiedissipation durch Rissablenkungen zu fördern19,30. Wir demonstrieren dies, indem wir mehrschichtige xiralische PDMS-Verbundwerkstoffe mit abwechselnden Schichten mit Mikroplättchenausrichtungen von θ = 0 ° und 90 ° und Proben mit einzelnen Ausrichtungen zum Vergleich drucken (ergänzende Abbildung 6e). Die Proben wurden mittels Drucktests charakterisiert und ihre Spannungs-Dehnungs-Kurven wurden erhalten (Abb. 5d). Die θ = 90°-Probe hatte eine hohe Steifigkeit von 4,7 MPa, aber die niedrigste dissipierte Energie von 13,8 kJ m−3. Umgekehrt verbrauchte die θ = 0°-Probe die meiste Energie (361 kJ m−3), hatte aber eine viel geringere Steifigkeit von 2,17 MPa. Durch den Aufbau abwechselnder, im Winkel von 0–90° ausgerichteter Schichten kann die Probe mit mehreren Ausrichtungen einen Kompromiss zwischen Steifigkeit (3,6 MPa) und Energiedissipation (176 kJ m−3) erreichen. Während die vertikal ausgerichteten Schichten zur Steifigkeit beitragen, tragen die horizontalen Schichten dazu bei, katastrophale Ausfälle zu verhindern, indem sie durch Mechanismen wie Rissablenkung energieableitende Schichten erzeugen (siehe ergänzende Abbildung 6f)31.

Schließlich haben wir als Proof-of-Concept-Beispiel einer 3D-gedruckten Struktur aus mehreren Materialien Graphit-Xirall-Graphit-Schichtstrukturen gedruckt und sie mit Epoxidharz infiltriert, um einen Kondensator zu bilden. Das Epoxidharz hält die Struktur zusammen und weist gleichzeitig eine gute dielektrische Festigkeit auf, die einen dielektrischen Durchschlag während des Ladens verhindert. Die resultierende Struktur bildet einen Parallelplattenkondensator mit leitfähigen Graphitschichten, die eine dielektrische xiralische Schicht einschließen (Abb. 5e). Die Graphitschichten wurden im Winkel θ = 90° ausgerichtet, um eine hohe Leitfähigkeit zwischen der dielektrischen Schicht und den elektrischen Kontakten sicherzustellen. Auf den optischen und elektronenmikroskopischen Aufnahmen waren die Graphit- und Xiral-Schichten deutlich zu unterscheiden. Die Kapazität unseres gedruckten Geräts (~ 3 mm Durchmesser, <1 mm Höhe) lag im Bereich von 0,1 nF (Einzelheiten zur Herstellung und Leistung des Kondensators finden Sie in der ergänzenden Abbildung 7 und der ergänzenden Diskussion).

Um die Stärken von MDOD zu demonstrieren, wurden piezoresistive Drucksensoren aus mehreren Materialien hergestellt. Die Multimaterialfähigkeit und die Kontrolle der Mikrostruktur von MDOD wurden genutzt, um die Leistung gedruckter Geräte zu steigern (Abb. 6). Piezoresistive Drucksensoren basieren typischerweise auf Kohlenstofffüllstoff-PDMS-Verbundfilmen, die häufig mit mikrostrukturierten Oberflächen wie Mikrosäulen und Mikrodomen hergestellt werden, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen32,33. MDOD kann verwendet werden, um ähnliche Strukturen zu erstellen und eine zusätzliche Füllstoffausrichtung zu integrieren, um die Sensorleistung weiter zu steigern. Darüber hinaus wurde hBN in unsere gedruckten Sensorstrukturen integriert, um in diesen Sensoren zusätzliche Wärmeableitungseigenschaften zu schaffen, die während der Gerätenutzung von Vorteil wären.

a Optisches Bild eines MDOD-gedruckten piezoresistiven Drucksensors, der aus einer Reihe von hBN-Graphit-Mikrosäulen besteht, die in einen PDMS-Film eingebettet sind. b Lichtmikroskopische Aufnahme einer einzelnen Mikrosäule im Sensor. c REM-Bild der Oberfläche der Mikrosäule, das die Kontrolle der Ausrichtung von Graphit (dunklerer Bereich) und hBN (hellerer Bereich) zeigt. d Spannungs-Dehnungs-Kurven von gedruckten Graphit-PDMS-Komposit-Mikrosäulen als piezoresistiver Drucksensor mit vertikaler und horizontaler Plättchenausrichtung. Der Einschub zeigt das optische Bild der Sensorstruktur, bei der die Mikrosäulen zwischen Kupferelektroden eingebettet sind. e Fotos, die eine Verringerung des Widerstands unter dem Druck zeigen, der durch das Gewicht einer Ein-Dollar-Münze ausgeübt wird. f Variation des erfassten elektrischen Stroms im Sensorkreis bei Belastung von Sensoren mit unterschiedlicher Graphitausrichtung. \(\triangle I/{I}_{0}\)ist die Bruchteiländerung des Stroms, wenn Druck auf den Sensor ausgeübt wird. S ist die Empfindlichkeit der Sensoren, geschätzt anhand der anfänglichen Steigung des Diagramms, die durch die gepunkteten Linien hervorgehoben ist. Die gemischte Ausrichtung besteht aus 40 % θ = 0°-Schichten und wird durch die blauen Datenpunkte dargestellt. g Temperatur der Sensoren mit hBN-Ausrichtungen von θ = 0° (schwarz) und θ = 90° (blau) unter verschiedenen angelegten Drücken. Alle Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Messungen dar.

Zur Herstellung der Sensoren wurde eine Reihe von Mikrosäulen aus ausgerichteten Graphit-Mikroplättchen gedruckt und mit PDMS infiltriert (Abb. 6a). Zur Wärmeregulierung wurde außerdem ein zusätzlicher Ring aus hBN um diese Graphitmikrosäulen herum abgeschieden. Der teilweise Fluss frischer hBN-Tinte in die Mikrosäule sorgte für eine vollständige Abdeckung und eine gute Grenzfläche zwischen den beiden Materialien. Die Ausrichtung der hBN- und Graphit-Mikroplättchen wurde unabhängig voneinander unter Verwendung von MDOD gesteuert (Abb. 6b, c). Durch die Anordnung dieser Mikrosäulen zwischen zwei Kupferbändern, die als Elektroden dienen, entstand ein flexibler piezoresistiver Sensor. Wenn Druck auf den Sensorbereich ausgeübt wird, rücken die Graphitfüllstoffe näher aneinander und der Gesamtwiderstand des Sensors verringert sich.

Wir untersuchen zunächst die Sensorausgabe dieser gedruckten Sensoren. Die mikrostrukturelle Kontrolle in MDOD ermöglicht die Abstimmung der mechanischen Eigenschaften der Sensoren (Abb. 6d). Bei \(\theta=90^\circ\) ist das Material steifer und unterliegt daher einer geringeren Belastung als bei \(\theta=0^\circ\). Dies würde die resultierende Sensorleistung beeinträchtigen, da der spezifische Widerstand des Materials von der erfahrenen Belastung abhängt. Darüber hinaus war das Material bis zu einem Druck von 1,5 MPa hochelastisch und konnte in seinen Ausgangszustand zurückkehren, wie die Entlastungskurven zeigen. Um die elektrische Reaktion auf ausgeübte Drücke zu testen, haben wir mit einer Münze kleine Drücke auf den Sensorbereich ausgeübt und dabei den Sensorwiderstand überwacht. Der Sensorwiderstand verringerte sich, wenn die Münze auf den Sensor gelegt wurde, und kehrte auf seinen ursprünglichen Wert zurück, als die Münze entfernt wurde (Abb. 6e und Zusatzfilm 2). Die konsistente und wiederholbare Widerstandsänderung zeigt, dass der gedruckte Sensor zuverlässig eingesetzt werden kann. Der Sensor wurde weiter unter einem größeren Bereich an angelegten Drücken getestet, indem ein zunehmender Druck auf den Sensor ausgeübt und gleichzeitig sein Widerstand überwacht wurde (ergänzende Abbildung 8 und Film 3). Die Empfindlichkeit S des Sensors kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Dabei ist I0 der Standardstrom durch das Sensormaterial, wenn kein Druck ausgeübt wird, und ΔI ist die Änderung des Stroms durch den Sensor, wenn ein Druck von ΔP ausgeübt wird. Abb. 6f zeigt die gemessene elektrische Reaktion der Sensoren bei unterschiedlichen Ausrichtungen. Die Empfindlichkeit der horizontal ausgerichteten Proben betrug ~0,91 kPa-1 und ist damit höher als die der vertikal ausgerichteten Proben, die eine Empfindlichkeit von 0,16 kPa-1 hatten. Dies ist zu erwarten, da die horizontal ausgerichteten Proben weniger steif sind und bei ausgeübtem Druck einer größeren Belastung ausgesetzt sind. Die höhere Dehnung entspricht dann einer größeren Widerstandsänderung der Struktur. Während einige kürzlich veröffentlichte flexible piezoresistive Sensoren höhere Empfindlichkeiten von ~5–136 kPa erreicht haben–134,35,36, funktionieren sie normalerweise nur innerhalb eines begrenzten Druckbereichs von <2,5 kPa. Im Gegensatz dazu verfügt unser Drucksensor über einen viel größeren Erfassungsbereich von bis zu 300 kPa, was ein breiteres Anwendungsspektrum abdeckt. Der große Erfassungsbereich ist nur durch den hohen Mikroplättchengehalt der gedruckten Strukturen möglich, der ihnen starke mechanische Eigenschaften verleiht, um hohen Drücken standzuhalten, ohne beschädigt zu werden.

Darüber hinaus kann das hohe Maß an Kontrolle der Mikroplättchenorientierung in MDOD genutzt werden, um die Sensorausgangseigenschaften durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen Graphitorientierungen weiter abzustimmen. Eine weitere wünschenswerte Eigenschaft von Sensoren ist die Linearität des Ausgangssignals. Ein großer linearer Bereich ist vorteilhaft, da die Signalanalyse einfacher ist und für den Betrieb weniger komplexe Schaltkreise erforderlich sind37. Wir untersuchen den Einsatz von MDOD, um dies zu erreichen. Während die θ = 0°-Proben höhere Empfindlichkeiten aufweisen, weisen sie einen Linearitätsbereich von nur bis zu 80 kPa auf. Im Gegensatz dazu weist die Probe mit θ = 90° geringere Empfindlichkeiten, aber im Allgemeinen eine linearere Reaktion auf. Durch einfache empirische Modellierung unter Verwendung der gemessenen Spannungs-Dehnungs-Kurve und der piezoresistiven Eigenschaften wurde die Gesamtsensorreaktion für Mikropillaren mit variierendem Verhältnis von θ = 0°- und 90°-Schichtdicken geschätzt (Einzelheiten in den Zusatzinformationen). Aus der Modellierung haben wir herausgefunden, dass Mikrosäulen mit 40 % θ = 0° ausgerichtetem Graphit eine Kombination aus einem großen linearen Reaktionsbereich und einer guten Empfindlichkeit erzeugten. Anschließend wurden die Ergebnisse experimentell verifiziert (Abb. 6f). Tatsächlich zeigten diese mehrschichtigen Ausrichtungsproben eine breitere lineare Reaktion bis zu 300 kPa und höhere Empfindlichkeiten als die θ = 90°-Proben.

Durch die Untersuchung der Modellierungsergebnisse haben wir auch einige Erkenntnisse zu dieser Beobachtung gewonnen. Bei niedrigen angelegten Drücken stammt das erfasste Signal überwiegend von der θ = 0°-Schicht, da diese eine geringere Steifigkeit aufweist. Aufgrund zweier Faktoren ist das gesamte erfasste Signal jedoch im Vergleich zu einer reinen θ = 0°-Probe reduziert. Erstens wird die Gesamtstromänderung ΔI aufgrund des Vorhandenseins der weniger reagierenden θ = 90°-Schicht verringert. Gleichzeitig hat die θ = 90°-Schicht einen geringeren Widerstand, daher ist der Standardstrom I0 höher. Dies entspricht dann einem niedrigeren Signal von \(\Delta I/{I}_{0}\). Bei höheren Drücken erfährt das steifere θ = 90° höhere Dehnungen und trägt zu den Sensorsignalen bei. Diese Faktoren führten zu einer insgesamt größeren linearen Signalcharakteristik. Die Möglichkeit, die relative Anzahl der Schichten mit unterschiedlicher Mikroplättchenausrichtung zu variieren, macht MDOD zu einer sehr leistungsstarken Technik, da je nach den Anforderungen der Endanwendung ein großes Spektrum an Eigenschaften erreicht werden kann.

Abschließend wurden die thermischen Eigenschaften der gedruckten Sensoren untersucht. Ein Problem bei piezoresistiven Drucksensoren ist der Joulesche Erwärmungseffekt im Betrieb38. Da ständig ein Strom durch den Sensor fließt, wird abhängig vom Widerstand des Materials ständig Wärme abgeführt. Bei praktischen Anwendungen nimmt die Erwärmung tendenziell zu, wenn Druck ausgeübt wird, da der Sensorwiderstand abnimmt. Dies kann zu Überhitzung oder thermischen Abweichungen im erfassten Signal führen, da Temperaturänderungen auch zu Schwankungen im Widerstand des Materials beitragen. Darüber hinaus ist eine Erwärmung bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise bei tragbaren Sensoren, auch unerwünscht, um Verbrennungen des Benutzers zu verhindern. Daher ist es wünschenswert, die Erwärmung des Geräts während des Betriebs zu minimieren. Durch Manipulation der hBN-Ausrichtung können wir die Wärmeableitung maximieren, wie bereits gezeigt. Um dies zu demonstrieren, platzierten wir die Sensoren unter einer Wärmebildkamera und übten gleichzeitig eine Kraft auf den Sensorbereich aus, um die Temperaturschwankungen zu überwachen (ergänzende Abbildung 9). Unter Verwendung von Gewichten wurden Drücke von ~1 kPa und 25 kPa auf den Sensor ausgeübt und die Gleichgewichtstemperaturen der Sensoren unter diesen Drücken gemessen (Abb. 6g).

Im Allgemeinen wurde beobachtet, dass die Probe mit hBN, die bei θ = 90° parallel zu den Mikrosäulen ausgerichtet war, eine niedrigere Gleichgewichtstemperatur aufwies als Proben mit θ = 0°. Dies ist wie erwartet, da die Ausrichtung von θ = 90° die Wärmeleitung der Wärme zu den Kupferkontakten verbessert, die die Wärme effizient vom Gerät wegleiten können. Dadurch bleibt das Gerät relativ kühler. Umgekehrt erleichtert die Ausrichtung θ = 0° nur die Wärmeleitung zur isolierenden Luft, die die Mikrosäulen umgibt, und es wird mehr Wärme aufgebaut, was zu einer höheren Gleichgewichtstemperatur führt. Darüber hinaus erfolgte das Aufheizen und Abkühlen in der Probe mit θ = 90° auch schneller, was die erhöhte Wärmeleitung vom Gerät weg weiter bestätigt. Weitere zyklische Tests wurden durchgeführt, um die Wiederholbarkeit dieser Ergebnisse zu zeigen (ergänzende Abbildung 9c). Diese Ergebnisse stimmen mit unseren früheren Erkenntnissen überein. Das θ = 90° hBN sorgt sowohl für einen guten Wärmekontakt als auch für eine schnelle Wärmeleitung in seitlicher Richtung relativ zur beheizten Oberfläche.

Zusätzlich zu den funktionalen Möglichkeiten von MDOD ermöglicht die Technik auch eine gute Kontrolle der Druckauflösung. Da die gedruckte Struktur aus einzelnen Tröpfchen besteht, wird die laterale und vertikale Druckauflösung durch die Abmessungen des getrockneten gedruckten Tröpfchens bestimmt. Dies wird durch den Kontaktwinkel der Tinte auf dem Substrat und das in jedem Tropfen abgegebene Volumen gesteuert. Eine Vergrößerung des Kontaktwinkels verringert den Tropfendurchmesser und erhöht die Schichthöhe. Das Volumen des Tröpfchens wird durch Ändern des Düsendurchmessers und des Eingangsdrucks des Drop-on-Demand-Druckers eingestellt. Ein größeres Tropfenvolumen erhöht sowohl den Durchmesser als auch die Höhe des Tropfens (ergänzende Abbildung 10). Auch die Variation des Tröpfchenvolumens hat keinen Einfluss auf die magnetische Ausrichtung der Mikroplättchen in den Tröpfchen, da der bestimmende Faktor ϕf unabhängig vom Tröpfchenvolumen ist (ergänzende Abbildung 11). Insgesamt beträgt die mit der xirallischen Tinte und den Kupfersubstraten erreichbare seitliche und vertikale Druckauflösung ~0,7 mm bzw. 50 μm. Vergleichsweise ähnliche Druckmethoden, die von Martin et al. erreichten Auflösungen von ~90 μm15. Während die vertikale Auflösung von MDOD die vergleichbarer Techniken übertrifft, ist die laterale Auflösung schlechter, da sie durch das minimale Tröpfchenvolumen begrenzt ist, das unser Drucker ausgeben kann. Dennoch kann die Auflösung theoretisch auf mehrere zehn Mikrometer verbessert werden, indem Druckköpfe mit kleineren Durchmessern verwendet werden oder hochauflösende Techniken wie das elektrohydrodynamische Drucken integriert werden39,40.

In Bezug auf den Druckdurchsatz wird MDOD als Drop-on-Demand-Technik, die Voxel für Voxel druckt, natürlich im Vergleich zu SLA oder DIW, mit denen ganze Materialschichten schnell gedruckt werden können, fehlen. Außerdem erhöht die Verwendung von Wasser als primäres Lösungsmittel in dieser Studie die Trocknungszeit für jeden Tropfen, was den Prozess möglicherweise mühsamer macht. Um die Druckgeschwindigkeit zu beschleunigen, wurden verschiedene Strategien untersucht.

Erstens verkürzte eine geringe Erwärmung des Substrats auf 50 ° C die Trocknungszeit jedes Voxels um ~ 70 % von ~ 10 Minuten auf ~ 2–4 Minuten, abhängig von der gewählten Tröpfchengröße (ergänzende Abbildung 12). Um den Anstieg der Kapillarflüsse einzudämmen und sicherzustellen, dass weiterhin gut ausgerichtete Strukturen hergestellt werden konnten, wurde nur geringe Hitze angewendet. Auch eine weitere Steigerung der Erwärmung wäre möglich, allerdings sollten Anwender die Zunahme der Kapillarflüsse durch die Anwendung stärkerer Magnetfelder kompensieren. Eine andere Strategie besteht darin, der Tinte flüchtige Co-Lösungsmittel hinzuzufügen. Durch den Einsatz einer Tinte mit 25 % Ethanol und 75 % Wasser als Lösungsmittel konnte die Trocknungszeit noch einmal um 30 % verkürzt werden. Die Verkürzung der Trocknungszeit resultierte aus dem Einsatz eines flüchtigeren Lösungsmittels und der Verringerung des Kontaktwinkels, wodurch die Oberfläche für die Verdunstung vergrößert wurde. Dies führte jedoch unbeabsichtigt dazu, dass die Druckauflösung abnahm, weshalb wir den Ethanolgehalt auf 25 % begrenzten. Ein höherer Ethanolgehalt wäre immer noch möglich, wenn das Drucken größerer Strukturen bei höherem Durchsatz Vorrang vor der Auflösung hat. Schließlich können abhängig vom Design der gedruckten Struktur benachbarte Voxel mit derselben Mikroplättchenausrichtung gleichzeitig gedruckt und ausgerichtet werden, da für die Ausrichtung nur ein schwaches Feld erforderlich ist (Zusatzfilm 4). Die insgesamt optimierte Verarbeitungszeit für unsere Drucke ist in Tabelle 1 aufgeführt. Der Druckdurchsatz könnte theoretisch weiter erhöht werden, indem die Magnetfeldquelle verbessert wird, um einen größeren Bereich auf dem Druckbett abzudecken. Dies würde es ermöglichen, mehrere Drucke gleichzeitig durchzuführen.

Zusammenfassend haben wir MDOD als eine Technik zum Drucken mikrostrukturierter Multimaterialmaterialien basierend auf der Steuerung der Mikroplättchenorientierung entwickelt. Wir haben den Mechanismus von MDOD untersucht und die Mikroplättchenkonzentration und die Magnetfeldstärke als Schlüsselparameter identifiziert, um eine präzise Ausrichtung des Füllstoffs während des Druckens zu erreichen. Mit diesem Wissen haben wir MDOD auf Tinten mit unterschiedlichen Materialien angewendet, um eine voxelierte Kontrolle des lokalisierten Materials und der Mikrostruktur zu erreichen. Insgesamt bietet MDOD drei wesentliche Vorteile. Erstens können die endgültigen gedruckten Strukturen einen hohen Feststoffgehalt im Bereich von 20–50 Vol.-% erreichen und gleichzeitig eine gute Kontrolle der Mikroplättchenausrichtung ermöglichen. Darüber hinaus verleiht die mikrostrukturelle Kontrolle MDOD die Vielseitigkeit, eine große Einstellbarkeit der Eigenschaften des gedruckten Materials zu erreichen. Daher kann in MDOD problemlos eine gute Balance zwischen mehreren Eigenschaften erzielt werden, die sonst nur schwer zu erreichen wäre. Schließlich ist MDOD mit dem Multimaterialdruck kompatibel, um mehrere Funktionalitäten in die gedruckten Strukturen zu integrieren. Diese Fähigkeiten wurden durch die Herstellung empfindlicher piezoresistiver Drucksensoren demonstriert, die einen hohen linearen Erfassungsbereich mit zusätzlichen Wärmemanagementeigenschaften aufwiesen.

Während sich diese Studie auf das Verständnis von MDOD als Technik konzentriert, gehen wir davon aus, dass sein Potenzial durch die Anwendung von MDOD mit funktionalen anisotropen nanoskaligen Materialien mit überlegenen Eigenschaften wie MXenen und anderen 2D-Nanomaterialien zur Herstellung von Geräten mit überragenden Leistungen weiter ausgeschöpft werden kann41,42. Solche Nanomaterialien werden zunehmend im 3D-Druck verwendet, um Strukturen für Energie- und Elektronikanwendungen herzustellen43,44. Mithilfe von MDOD können wir diesen gedruckten Geräten einen zusätzlichen Faktor der Mikrostrukturierung hinzufügen, um die Geräteleistung zu verbessern. Darüber hinaus kann MDOD auch auf den Druck verstärkter Verbundwerkstoffe mit 1D-Materialien ausgeweitet werden, da diese problemlos an statischen Magnetfeldern ausgerichtet werden können19,45. Insgesamt kann die Vielseitigkeit von MDOD, die Mikrostruktur zu steuern und unterschiedliche Materialien und Zusammensetzungen zu verwenden, einen großen Gestaltungsspielraum für die Herstellung einer breiten Palette mikrostrukturierter Verbundwerkstoffe mit einstellbaren Eigenschaften schaffen.

Mit Xirallic-Titandioxid beschichtete Aluminiumoxid-Mikroplättchen (Merck, durchschnittlicher Durchmesser ~20 μm, Dicke ~200 nm), Polyvinylpyrrolidon MW 360.000 (Sigma-Aldrich), superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel-Ferrofluid (Ferrotec EMG-605), hBN-Mikroplättchen (Merck, durchschnittlicher Durchmesser ~ 10 μm, Dicke ~300 nm), Graphit (Merck, durchschnittlicher Durchmesser ~7 μm, Dicke ~300 nm), PDMS (SYLGARD™ 184) und Epoxidharz (Weicon MS1000) wurden gekauft und ohne Modifikation verwendet.

Die verschiedenen Mikroplättchen wurden zunächst magnetisch ansprechbar gemacht, indem SPIONs auf ihren Oberflächen adsorbiert wurden. In einem typischen Verfahren wurden 2 g trockene Mikroplättchen zunächst in 200 ml entionisiertem (DI) Wasser unter Verwendung eines Magnetrührers dispergiert. Anschließend wurde der Suspension Ferrofluid EMG-605 zugesetzt, so dass die SPIONs 5 Vol.-% der relativen Masse der Blutplättchen ausmachten. Die Mischung wurde über Nacht gerührt und mittels Vakuumfiltration filtriert, um die magnetisierten Mikroplättchen zu gewinnen. Anschließend wurden die Mikroplättchen über Nacht in einem Trockenofen getrocknet. Um die Tinte herzustellen, wurden die getrockneten magnetisierten Plättchen mit einer 1 Gew.-%igen wässrigen PVP-Lösung auf den gewünschten Mikroplättchengehalt gemischt. Die resultierende Mischung wurde dann mit Ultraschall behandelt und verwirbelt, bis eine homogene Tinte entstand.

Die Rheologie der Tinte wurde mit einem Scherrheometer (Bohlin Gemini HR Nano) charakterisiert. Viskosimetriemessungen wurden mit einem gezahnten Plattensystem mit 15 mm Durchmesser, einer Spaltgröße von 200 µm und Schergeschwindigkeiten von 0,1 s−1 bis 500 s−1 durchgeführt. Jede Messung wurde dreimal wiederholt. Der Tintenkontaktwinkel wurde durch die Aufnahme optischer Seitenansichtsbilder von Tintentröpfchen von ca. 6 µL mit einem USB-Mikroskop (Dino-lite AM7915MZTL) charakterisiert. Für jede Tintenart wurden die Kontaktwinkel von fünf Tintentröpfchen gemessen. Die Sedimentationsraten wurden gemessen, indem Tintentröpfchen von ca. 6 µL im Zeitraffer gemessen wurden, bis sie vollständig getrocknet waren.

Der 3D-Druck wurde mit einem automatisierten Flüssigkeitsabgabesystem (Nordson 3-Axis PROPlus) durchgeführt. Die Tinte wurde in 5-ml-Spritzen (Nordson) gefüllt, bevor sie in den Drucker geladen wurde. Dann wurde eine Flachspitzennadel aus rostfreiem Stahl (Nordson) mit einem Innendurchmesser von 0,33 mm auf dem Druckkopf installiert. Der Eingangsluftdruck wurde auf ~0,5 bar eingestellt. Die Kupfersubstrate wurden durch Anbringen von Kupferfolie (Sunhayato) auf Glasobjektträgern (VWR) vorbereitet, um sie flach zu halten. Als Glassubstrate wurden Glasdeckgläser (VWR) verwendet. Die mit Gold besputterten Substrate wurden durch Besputtern (Joel JFC-1600) der Glasdeckgläser mit ~10 nm Gold hergestellt. Die Substrate wurden vor dem Drucken mit Ethanol gereinigt, um einen gleichmäßigen Druck zu gewährleisten, da Verunreinigungen auf den Substraten zu einer Variation des Tintenkontaktwinkels und zu Fehlern im Druck führen können.

Die Druckschritte des gewünschten Musters wurden auf der Softwareschnittstelle des Druckers programmiert. An der Seite des Druckers wurde ein rotierender Magnet bestehend aus einem permanenten Neodym-Magneten angebracht, der an einen Gleichstrommotor (RS Components) angeschlossen war. Während jedes Druckschritts wurden mehrere Tröpfchen auf dem Substrat abgeschieden und der Tisch wurde so programmiert, dass er die Tröpfchen zum rotierenden Magneten bewegte, der für die Ausrichtung eingerichtet war (Zusatzfilm 4).

Die gedruckten Strukturen wurden mit einer PDMS- oder Epoxidmatrix infiltriert, um Verbundwerkstoffe zu bilden. Die Harze und Härter wurden gemäß den Angaben des Herstellers vorgemischt und im Vakuum etwa 10 Minuten lang entgast. Anschließend wurde eine entsprechende Menge des entgasten Matrixmaterials auf die gedruckten Strukturen aufgetragen und die Proben zur Infiltration etwa eine Stunde lang unter Vakuum gesetzt. Anschließend wurden die Proben einen Tag lang in einem Ofen bei 40 °C aufbewahrt, um die Matrizen vollständig auszuhärten. Nach dem Aushärten kann überschüssiges Matrixmaterial durch mechanisches Feilen der Proben entfernt werden.

Die Querschnittsflächen der gedruckten Proben wurden mittels Feldeffekt-Rasterelektronenmikroskopie (JOEL 6340 F) und ImageJ-Analyse charakterisiert, um die Ausrichtung der gedruckten Mikroplättchenkomposite zu identifizieren. An jeder Probe wurden die Winkel von mindestens 50 Mikroplättchen gemessen.

Graphittröpfchen mit unterschiedlicher Ausrichtung von θ = 0°, 20°, 45°, 70°, 90° und einem Durchmesser von ~4 mm und einer Höhe von ~0,2 mm wurden auf Glassubstrate gedruckt. Von jeder Ausrichtung wurden drei Muster gedruckt. 4 dünne Streifen Kohlenstoffband (ca. 1 mm × 3 mm) wurden an gegenüberliegenden Kanten jedes Tröpfchens entlang der x- und y-Richtung befestigt, wie in Abb. 5a definiert. Die Kohlenstoffbänder fungierten als elektrische Kontakte für die Widerstandsmessungen. Anschließend wurden elektrische Widerstandsmessungen mit einem Zwei-Sonden-Multimeter (NT DT-9205A) durchgeführt. Für jede Probe wurden fünf Messungen durchgeführt.

hBN-Tröpfchen mit Plättchenausrichtungen von θ = 0° und 90° und Durchmessern von ~4 mm wurden auf der Mitte eines 1,8 × 1,8 cm2 großen Siliziumwafers (Merck) abgeschieden. Nach dem Trocknen wurden die Proben in einen Konvektionsofen (IKA 125-control) gegeben und 10 Minuten lang auf 80 °C vorgeheizt. Anschließend wurden die Proben entnommen und auf einen Isolierkarton unter einer Wärmebildkamera (FLIR ETS320) gelegt. Es wurde ein Film über das Abkühlen der Probe aufgenommen. Die Abkühlgeschwindigkeit wurde dann aus der Steigung des Temperatur-Zeit-Profils jeder Probe ermittelt. Die Messungen wurden für jede Probe mindestens dreimal durchgeführt.

Es wurden vier mal vier xiralische Tröpfchenstrukturen mit unterschiedlicher Ausrichtung mit einer Gesamtlänge und -breite von 8 mm und einer Höhe von 1,5 mm gedruckt. Sobald die Tröpfchen getrocknet waren, wurden sie in einem Hochtemperaturofen (Nabertherm LHT 08/18) zunächst 1 Stunde lang bei 500 °C zur Entfernung des Bindemittels und dann 2 Stunden lang bei 1600 °C zum Sintern gesintert. Sobald die Proben wieder auf Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden sie zur anschließenden Vorbereitung für die weitere Charakterisierung kalt in ein Epoxidharz eingebettet. Die montierten Proben wurden zunächst mit Schleifpapier mit zunehmender Körnung von 400, 800, 1200 und 2400 geschliffen. Anschließend wurde mit OPS-Lösung (Struers) poliert. Die mechanischen Eigenschaften der polierten Proben wurden mittels Nanoindentation (G200, KLA Tencor, USA) und Vickers Härteprüfgerät (Future Tech FM-300E) charakterisiert. Die Nanoindentationstests wurden mit einer Berkovich-Spitze mit einer Belastungsrate von 1 mN s−1 bis zu einer maximalen Belastung von 100 mN und einer Verweilzeit von 10 s durchgeführt. An jeder Probe wurden 20 Eindrücke angebracht. Bei der Vicker-Härteprüfung wurde eine Belastung von 1 kg für 10 s aufgebracht. An jeder Probe wurden neun Eindrücke angebracht.

Xirallic-PDMS-Strukturen wurden auch für Zähigkeitsmessungen mittels Kompressionstests hergestellt. Xirallic-Mikrosäulen mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Höhe von 3 mm wurden gedruckt und mit PDMS infiltriert. Anschließend wurden die Proben einem Kompressionstest (Instron 3366) unter Verwendung einer 500-N-Lastzelle und einer Belastungsrate von 0,2 mm/min unterzogen. Drei Proben jeder Ausrichtung wurden auf Wiederholbarkeit getestet.

Drei mal drei Anordnungen von Graphittröpfchen wurden in Mikropillen mit Durchmessern von ~2,0 mm und Höhen von ~1,5 mm auf ein Kupferfoliensubstrat gedruckt, um eine Sensorfläche von ~1 cm x 1 cm zu bilden. Anschließend wurden hBN-Ringe um jede Mikrosäule herum abgeschieden und die Struktur mit PDMS infiltriert, um das endgültige Gerät zu bilden. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve und die elektromechanischen Eigenschaften der resultierenden Sensoren wurden mit einem Kompressionstester (Instron 3366) getestet. Die beiden Kupferfolienstücke, zwischen denen die gedruckten Graphit-Mikrosäulen liegen, wurden mit einem Zwei-Sonden-Multimeter verbunden. Der elektrische Widerstand wurde überwacht, während eine Druckkraft mit einer Anstiegsrate von 5 N min−1 bis zu einem Maximum von 40 N auf den Sensor ausgeübt wurde. Um die Wiederholbarkeit und Stabilität der Sensorsignale zu überprüfen, wurden die Messungen alle 10 Kompressionszyklen bis zu 30 Zyklen durchgeführt.

Die thermischen Eigenschaften der Sensoren wurden mit einer Wärmebildkamera (FLIR ETS320) charakterisiert. Um eine Kraft auf den Sensorbereich auszuüben, wurde ein Hebelsystem mit einer Pinzette und einer Stütze verwendet. Dies wurde durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Sensorbereich für die Temperaturaufzeichnung durch die Kamera frei bleibt. Auf die Mitte der Pinzette wurden Gewichte gelegt, um Drücke von 1 kPa und 25 kPa auf den Sensorbereich auszuüben. Für jeden Be- und Entladeschritt wurde die Temperatur bis zum Erreichen einer Sättigungstemperatur aufgezeichnet.

Die Daten, die die hier dargestellten Schlussfolgerungen stützen, sind auf Anfrage bei den Autoren erhältlich. Ergänzende Informationen finden Sie in diesem Dokument.

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Wir danken der Facility for Analysis, Characterisation, Testing and Simulation (FACTS) der Nanyang Technological University, Singapur, für die Nutzung ihrer Rasterelektronenmikroskopie-Einrichtungen. Diese Forschung wurde von der National Research Foundation of Singapore finanziert (Award NRFF12-2020-0002, HLF).

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Nanyang Technological University, Singapur, 639798, Singapur

Wing Chung Liu, Vanessa Hui Yin Chou, Rohit Pratyush Behera und Hortense Le Ferrand

School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapur, 639798, Singapur

Hortense Le Ferrand

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WCL und HLF hatten die Idee. WCL führte die Experimente mit Unterstützung von VHYC durch und RPBWCL analysierte und modellierte die Daten. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und verfassten die Arbeit.

Korrespondenz mit Hortense Le Ferrand.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Sylvain Deville und dem anderen, anonymen Gutachter für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, WC, Chou, VHY, Behera, RP et al. Magnetisch unterstützter Drop-on-Demand-3D-Druck von mikrostrukturierten Multimaterial-Verbundwerkstoffen. Nat Commun 13, 5015 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32792-1

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Eingegangen: 17. November 2021

Angenommen: 17. August 2022

Veröffentlicht: 26. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32792-1

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