Híbrido de la impresión para la fabricación de sensores inteligentes
Summary
Aquí presentamos un protocolo para la fabricación de estructuras de sensor multicapa de inyección de tinta imprimen en sustratos aditiva fabricados y de la hoja.
Abstract
Un método para combinar aditiva fabrica sustratos u hojas y se presenta múltiples capas de tinta impresión para la fabricación de dispositivos. Primero, se preparan tres sustratos (acrilato, cerámica y cobre). Para determinar las propiedades del material resultantes de estos sustratos, perfilómetro, ángulo de contacto, microscopio electrónico de barrido (SEM) y enfocado de iones (FIB) de la viga medidas se realizan. La posible resolución de impresión y volumen de gota adecuado para cada sustrato, entonces, se encuentran a través de las pruebas de tamaño de gota. Entonces, capas de aislante y conductor la tinta son tinta imprimido alternativamente para fabricar las estructuras de sensor objetivo. Después de cada paso de impresión, las respectivas capas son tratadas individualmente por curado fotónico. Los parámetros utilizados para el curado de cada capa se adaptan dependiendo de la tinta impresa, así como en las propiedades superficiales de los sustratos respectivos. Para confirmar la conductividad resultante y determinar la calidad de la superficie impresa, se realizan mediciones de Perfilómetro y sonda de cuatro puntos. Finalmente, se muestran una configuración de medición y resultados obtenidos por un sistema de sensor impreso todo para demostrar la calidad alcanzable.
Introduction
Fabricación aditiva (AM) está estandarizado como un proceso donde los materiales se unen para hacer objetos de datos del modelo 3D. Esto se realiza capa sobre capa y, por lo tanto, contrasta con tecnologías de fabricación sustractivos, tales como la fabricación de semiconductores. Sinónimos incluyen fabricación 3D-impresión, aditivo, proceso aditivo, técnicas aditivas, fabricación de aditivo capa, capa fabricación y fabricación freeform. Estos sinónimos son reproducidas de la estandardización por la sociedad americana de pruebas y materiales (ASTM)1 para proporcionar una definición única. En la literatura, impresión en 3D se conoce como el proceso donde el grueso de los objetos impresos está en el rango de centímetros a incluso metros2.
Procesos más comunes, como la estereolitografía3, permiten la impresión de los polímeros, pero la impresión 3D de metal también está ya disponible en el mercado. La AM de metales se emplea en múltiples áreas, como para la automotriz, aeroespacial4y sectores médicos5 . Una ventaja para estructuras aeroespaciales es la posibilidad de imprimir más dispositivos a través de simples cambios estructurales (e.g., usando un diseño de nido de abeja). En consecuencia, los materiales con, por ejemplo, mayor resistencia mecánica, que de lo contrario agregar una cantidad significativa de peso (por ejemplo, titanio en lugar de aluminio)6, puede ser empleado.
Mientras que la impresión 3D de polímeros ya está bien establecida, metal 3D-impresión sigue siendo un tema de investigación vibrante, y una variedad de procesos han sido desarrollados para la impresión en 3D de estructuras metálicas. Básicamente, los métodos disponibles se pueden combinar en cuatro grupos7,8, es decir 1) usando un láser o haz de electrones para el revestimiento en un proceso de alimentación de alambre, sistemas 2) sinterización utilizando un láser o haz de electrones, 3) selectivamente usando polvo de fusión un rayo láser o electrón (fusión de cama de polvo) y 4) una carpeta chorro proceso donde, comúnmente, una cabeza de impresión de inyección de tinta se mueve sobre un sustrato de polvo y dispensa aglutinante.
Dependiendo del proceso, las respectivas muestras fabricadas exhiben diferentes propiedades superficiales y estructurales7. Estas diferentes propiedades tendrá que ser considerado en más esfuerzos para seguir funcionalizar las piezas impresas (por ejemplo, por la fabricación de sensores en sus superficies).
En contraste con la impresión en 3D, los procesos de la impresión para lograr tal funcionalización (e.g., pantalla e impresión de inyección de tinta) cubierta solamente limitado alturas objeto de menos de 100 nm9 hasta unos pocos micrómetros y son, por lo tanto, a menudo también conocido como 2.5D-impresión. alternativamente, soluciones basadas en láser para modelar alta resolución también han sido propuestos10,11. Una revisión exhaustiva de los procesos de impresión, la térmica dependiente derretir temperatura de nanopartículas, y las aplicaciones está dada por Ko12.
Aunque la impresión de la pantalla está bien establecida en la literatura13,14, impresión de inyección de tinta ofrece una capacidad de ampliación mejorada, junto con una mayor resolución para la impresión de tamaños más pequeños de la característica. Además, es un método de impresión digital, sin contacto que permite el depósito flexible de materiales funcionales en tres dimensiones. Por lo tanto, nuestro trabajo se centra en la impresión de inyección de tinta.
Tecnología de impresión de inyección de tinta ya se ha empleado en la fabricación de electrodos de detección de metales (plata, oro, platino, etc.). Áreas de aplicación incluyen temperatura medida15,16, presión y tensión detección de17,18,19y biodetección20,21, así como gases o vapores Análisis22,23,24. El curado de estas estructuras impresas con extensión de altura limitada puede ser realizado mediante diferentes técnicas, basadas en térmica25, microondas26, eléctrica27, láser28y fotónica29 principios.
Fotónicas de curado para estructuras de inyección de tinta impresa permite a los investigadores utilizar tintas de alta energía, curables, conductoras en substratos con una resistencia a baja temperatura. Aprovechando esta circunstancia, la combinación de 2.5 procesos D-3D-impresión y pueden ser empleados para fabricar prototipos altamente flexibles en el área de detección inteligente y envases inteligentes30,31,32 .
La conductividad de substratos de metal impreso en 3D es de interés para el sector aeroespacial, así como para el sector médico. No sólo mejora la estabilidad mecánica de ciertas partes pero es beneficiosa en campo cercano, así como la detección capacitiva. Una caja de metal impreso en 3D proporciona adicionales de protección/protección del sensor front-end ya que puede ser conectado eléctricamente.
El objetivo es fabricar dispositivos utilizando la tecnología de AM. Estos dispositivos deben proporcionar una resolución lo suficientemente alta en la medida que se emplean para (a menudo a microempresas o a nanoescala) y, al mismo tiempo, cumplen altos estándares en cuanto a fiabilidad y calidad.
Se ha demostrado que la tecnología AM presenta al usuario con la suficiente flexibilidad para fabricar diseños optimizados33,34 que mejoran la calidad general de medición que se puede lograr. Además, la combinación de polímeros y una capa de inyección de tinta impresión se ha presentado en la anterior investigación35,36,37,38.
En este trabajo, los estudios disponibles se extienden, y se proporciona una revisión sobre las propiedades físicas de sustratos de AM, con un enfoque en los metales y su compatibilidad con múltiples capas de tinta impresión y el curado de fotónica. Un diseño de bobina multicapa ejemplar se proporciona en la figura 1 complementaria. Los resultados se utilizan para proporcionar estrategias para la impresión de inyección de tinta de estructuras multicapa sensor en sustratos metálicos de AM.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se demuestra una manera de fabricar estructuras de sensor multicapa en 3D impreso sustratos y en papel. AM metal, así como cerámica y acrilato sustratos tipo y papel se demuestran para ser conveniente para la impresión de múltiples capas de inyección de tinta, como la adherencia entre el sustrato y las diferentes capas es suficiente, así como la capacidad de conductividad o aislamiento respectiva. Esto podría ser demostrado por capas impresión de estructuras conductoras en material aislante. Además, la impresió…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo ha sido apoyado por el cometa K1 ASSIC austríaco inteligentes sistemas de integración centro de investigación. Los centros de competencia cometa para excelente-programa de tecnologías es apoyado por BMVIT, BMWFW y las provincias federales de Carintia y Estiria.
Materials
| PiXDRO LP 50 | Meyer Burger AG | Inkjet-Printer with dual-head assembly. | |
| SM-128 Spectra S-class | Fujifilm Dimatix | Printheads with nozzle diameter of 50 µm, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution. | |
| DMC-11610/DMC-11601 | Fujifilm Dimatix | Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 µm, 1 or 10 pL calibrated dropsize | |
| Sycris I50DM-119 | PV Nanocell | Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether. | |
| Solsys EMD6200 | SunChemical | Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps. | |
| Dycotec DM-IN-7002-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003C-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7004-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m | |
| Pulseforge 1200 | Novacentrix | Photonic curing/sintering equipment. | |
| DektatkXT | Bruker | Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 µm diameter and constant force of 4 mg. | |
| C4S | Cascade Microtech | Four-point-probe measurement head. | |
| 2000 | Keithley | Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe. | |
| Helios NanoLab600i | FEI | Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling. | |
| SeeSystem | Advex Instruments | Water contact angle measurement device. | |
| Projet 3500 HDMax | 3D Systems | Professional high-resolution polymer 3D-printer. See also (accessed Sep. 2018): https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf | |
| Polytec PU 1000 | Polytec PT | Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available | |
| Microdispenser | Musashi | Needle for microdispensing. | |
| Micro-assembly station | Finetech | Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts. |
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