Híbrido de impressão para a fabricação de sensores inteligentes
Summary
Aqui nós apresentamos um protocolo para a fabricação de estruturas de sensor multicamadas de impressão a jato de tinta em substratos aditivamente manufacturados e folha.
Abstract
Um método de combinar aditivamente fabricado substratos ou folhas e impressão inkjet multicamadas para a fabricação de dispositivos do sensor é apresentada. Primeiro, preparam-se três substratos (acrilato, cerâmica e cobre). Para determinar as propriedades de material resultantes destes substratos, perfilômetro, ângulo de contato, microscópio eletrônico de varredura (SEM) e íon focalizado (FIB) de feixe medições são feitas. A resolução de impressão realizável e soltar adequado volume para cada substrato, em seguida, encontram-se através dos testes de tamanho de gota. Em seguida, camadas de tinta isolante e condutor são jato de tinta imprimido alternadamente para fabricar as estruturas de sensor de alvo. Após cada etapa da impressão, as respectivas camadas individualmente são tratadas pela cura fotônico. Os parâmetros utilizados para a cura de cada camada são adaptados dependendo da tinta impressa, bem como sobre as propriedades da superfície do substrato respectivo. Para confirmar a condutividade resultante e para determinar a qualidade da superfície impressa, sonda de quatro pontos e perfilômetro medições são feitas. Finalmente, uma armação de medição e resultados obtidos por um sistema tão impresso todo sensor são mostrados para demonstrar a qualidade alcançável.
Introduction
Fabricação de aditiva (AM) é padronizada como um processo onde os materiais são juntou-se tornar objetos de dados do modelo 3D. Isto é feito geralmente camada sobre camada e, assim, contrasta com tecnologias de fabricação subtrativa, como fabricação de semicondutores. Sinônimos incluem fabricação 3D-impressão, aditiva aditivo processo, técnicas de aditivas, fabricação de camada aditivo, fabricação de camada e fabricação freeform. Esses sinônimos são reproduzidos de padronização pelo sociedade americana de testes e materiais (ASTM)1 para fornecer uma definição única. Na literatura, a impressão 3D é referido como o processo onde a espessura dos objetos impressas está na faixa de centímetros até metros2.
Processos mais comuns, como a estereolitografia3, permitem a impressão de polímeros, mas também a impressão 3D de metal já está comercialmente disponível. O AM de metais é empregado em múltiplas áreas, tais como para o automotivo, aeroespacial,4e médica5 sectores. Uma vantagem para estruturas aeroespaciais é a possibilidade de imprimir mais leves dispositivos através de simples mudanças estruturais (por exemplo, usando um design de favo de mel). Consequentemente, materiais com, por exemplo, maior resistência mecânica, que caso contrário gostaria de acrescentar uma quantidade significativa de peso (por exemplo, titânio ao invés de alumínio)6, podem ser empregadas.
Enquanto a 3D-impressão de polímeros já está bem estabelecida, 3D-impressão do metal ainda é um tópico de pesquisa vibrante, e uma variedade de processos foram desenvolvidos para a impressão de 3D de estruturas metálicas. Basicamente, os métodos disponíveis podem ser combinados em quatro grupos de7,8, ou seja 1) usando um laser ou feixe de elétrons para revestimento em um processo de fio-alimentado, 2) sinterização sistemas usando um laser ou feixe de elétrons, derretendo 3) seletivamente usando pó um feixe de laser ou elétron (fusão de cama de pó) e 4) um fichário jorrando processo onde, comumente, uma cabeça de impressão jato de tinta se move sobre um substrato de pó e dispensa aglomerante.
Dependendo do processo, as respectivas amostras manufacturadas irão expor diferentes propriedades de superfície e estrutural7. Essas diferentes propriedades terá que ser considerada em mais esforços para funcionalizar ainda mais as peças impressas (por exemplo, pela fabricação de sensores em suas superfícies).
Em contraste com o 3D-impressão, impressão processos para alcançar tal um functionalization (EG., tela e impressão inkjet) tampa somente limitado alturas objeto de menos de 100 nm9 até alguns micrômetros e são, assim, muitas vezes também conhecido como 2.5 D-impressão. Alternativamente, soluções baseadas em laser para a padronização de alta resolução foram também propostos10,11. Uma revisão abrangente dos processos de impressão, derretem o termicamente dependentes da temperatura de nanopartículas, e as aplicações é dada por Ko12.
Embora a serigrafia está bem estabelecida na literatura13,14, impressão inkjet fornece uma melhor capacidade de upscaling, juntamente com uma maior resolução para a impressão de tamanhos menores do recurso. Além disso, é um método de impressão digital, sem contacto, permitindo a deposição flexível de materiais funcionais na tridimensional. Por conseguinte, nosso trabalho é focado em impressão jato de tinta.
Tecnologia de impressão jato de tinta já foi empregada na fabricação de eletrodos de detecção de metal (prata, ouro, platina, etc.). Áreas de aplicação incluem a medição de temperatura15,16, pressão e tensão sensoriamento17,18,19e biosensing20,21, bem como gás ou vapor análise de23,22,24. A cura de tais estruturas impressas com extensão de altura limitada pode ser feito utilizando várias técnicas, com base em térmica25microondas26, elétrica27, laser,28e fotônico29 princípios.
Fotônico cura para estruturas de impressão a jato de tinta permite aos pesquisadores usar tintas de alta energia, curáveis, condutoras em substratos com uma resistência de baixa temperatura. Nesta circunstância, a combinação de 2.5 a explorar processos D e 3D-impressão podem ser empregados para fabricar protótipos altamente flexíveis na área de embalagem inteligente30,31,32 e detecção inteligente.
A condutividade de substratos metálicos 3D-impresso é de interesse para o setor aeroespacial, bem como para o setor médico. Não só melhora a estabilidade mecânica de certas partes, mas é benéfico em campo próximo, bem como sensoriamento capacitivo. Uma caixa de metal 3D-impresso fornece adicional blindagem/proteção do sensor front-end já que ele pode ser conectado eletricamente.
O objetivo é fabricar dispositivos usando tecnologia de AM. Estes dispositivos devem fornecer uma resolução suficientemente alta (muitas vezes em micro – ou nanoescala) são utilizados para a medição e, ao mesmo tempo, eles devem cumprir elevados padrões em matéria de qualidade e confiabilidade.
Ficou demonstrado que a tecnologia AM apresenta ao usuário com flexibilidade suficiente para fabricar projetos otimizados33,34 , que melhoram a qualidade de medição global que pode ser alcançada. Além disso, a combinação de polímeros e impressão inkjet de camada única tem sido apresentada em pesquisa anterior35,36,37,38.
Neste trabalho, os estudos disponíveis são estendidos, e uma revisão sobre as propriedades físicas dos substratos de AM, com foco em metais e a sua compatibilidade com impressão inkjet multicamadas e cura fotônico é fornecida. Um projeto exemplar bobina multilayer é fornecido em complementar a Figura 1. Os resultados são utilizados para fornecer estratégias para a impressão jato de tinta de estruturas multicamadas sensor em substratos metálicos AM.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uma maneira de fabricar estruturas multicamadas sensor em substratos de impressão 3D e na folha é demonstrada. Metal de AM, bem como substratos cerâmicos e acrilato, tipo e folha são mostrados para ser adequado para impressão inkjet multicamado, como a aderência entre o substrato e as diferentes camadas é suficiente, bem como a respectiva capacidade de condutividade ou isolamento. Isto podia ser exibido por impressão camadas de estruturas condutoras em material isolante. Além disso, a impressão e processos para…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho tem sido apoiado pela cometa K1 ASSIC austríaco inteligente sistemas integração centro de pesquisa. Os centros de cometa-competência para excelentes tecnologias-programa é suportado pelo BMVIT, BMWFW e as províncias federais de Caríntia e Estíria.
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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