使用冲击打印型热浮雕技术柔性材料的点模式工艺研究

Summary

冲击打印型热浮雕技术使用冲击头实时在柔性材料上刻点图案。该技术具有用于控制冲击头的开动运动和位置的控制系统，可在不同的聚合物薄膜上创建具有不同宽度和深度的点图案。

Abstract

在这里，我们介绍了一个冲击打印型热浮雕工艺的研究，该工艺可以在聚合物薄膜上实时创建具有各种设计、宽度和深度的点图案。此外，我们还对冲击头的开离运动和位置进行了控制系统，以雕刻不同的点图案。我们对各种聚合物薄膜进行了点纹，如聚酯（PET）薄膜、聚甲基甲酰化膜（PMMA）薄膜和聚氯乙烯（PVC）薄膜。使用共聚焦显微镜测量点图案，我们确认冲击打印型热浮雕工艺在点图案过程中产生的误差较少。因此，冲击打印型热压花工艺适合在不同类型的聚合物薄膜上雕刻点图案。此外，与传统的热浮雕工艺不同，此过程不使用浮雕戳。因此，工艺简单，能实时创建点模式，为批量生产和小批量批量生产带来独特的优势。

Introduction

研究人员正在积极尝试将现有设备和显示器小型化，并提高这些设备^11、22的灵活性。为了将电道的宽度和深度减小到微或纳米尺度，需要高精度技术。此外，为了提高这些设备的灵活性，电气通道的图案必须位于柔性材料上，如聚合物薄膜^33、44。为适应这些条件，超细微加工技术的研究正在积极进行中。

超精细微制造技术的优势是，可能的图案材料不仅包括铁或塑料等高刚性材料，还包括聚合物薄膜等软材料。由于这些优势，该技术作为核心工艺广泛应用于通信、化学、光学、航空航天、半导体、传感器^{55、6、76,7}等各个领域。在超精细微加工领域，使用LIGA（光刻、电镀和成型）或微加工方法^8。但是，这些传统方法与几个问题相关。LIGA 方法需要大量的时间和几个过程步骤来创建超精细模式，并产生高成本，因为它们在流程过程中需要许多不同类型的设备。此外，LIGA 方法使用可能污染环境的化学品。

为了解决....

Protocol

1. 制造冲击打印型热压花工艺

1. 制作模型 1 并将其与 X 阶段合并（参见图 1）。
   注:建议使用铝制成型号 1，以避免热传导到 X 级。此外，建议型号 1 的长度是热板表面与 Z 级轴承板的最低高度之间的距离，因为型号 1 的设计随热板尺寸而变化。
2. 将 X 级和 Z 级组合起来，组装 Z 级和型号 2。
   注:确保型号 2 由金属制成，金属可以承受热板（例如铝）的热量。将模型 2 牢固地固定到 Z 级将确保 Z 级能够保持模型 2 和冲击头的重量。
3. 将型号 2 和冲击头组合在一起，并将热板置于型号 1 下方。
   注: 将冲击头与型号 2 上的最低位置连接将确保运动器到达热板表面。建议在最大提升 Z 级后安装热板，以避免冲击头与热板表面接触。使用适当的软件来控制阶段。
4. 将胶片支架的 STL 文件（补充文件 1和补充文件 2）转换为 GCODE 文件，使用适当的软件使用三维 （3D） 打印机打印胶片支架。
   注: 软件可能因使用的 3D 打印机而异，某些环境可能支持 3D 打印机环境，而无需 GCODE 转换。
5. 使用 3D 打印机使用 GCODE 文件打印胶片支架。
   注: 建议使用灯丝（例如 Z-HIPS），因为打印大零件（如胶片支架）时收缩较少。
6. 将两个薄膜支架安....

Results

冲击打印型热压花工艺是一个可用于将点图案实时刻在聚合物薄膜上的过程，如图1所示。此过程可以解决与现有热压花工艺相关的模式更换成本高和时间长的问题。如图 2 所示，通过在关闭操作期间实现冲击头，构建了控制电路（参见步骤2.3_2.3.9），使用 DAQ、OP-AMP 和电源在各类聚合物薄膜上雕刻图案。实现的冲击打印式热浮雕工艺如图3所示。

在以往对冲击打印型热浮雕的研究中，只验证了PMMA薄膜的实验，而没有其他聚合物薄膜被测试。为了验证冲击打印型热浮雕能实时刻在其他聚合物薄膜上的图案，使用PMMA薄膜、PVC薄膜和PET薄膜进行了实验。使用 Z 级，冲击头的高度每三个点降低 10 μm，我们测试了九个点是否可以在三种类型的胶片上形成具有不同高度的点图案。使用图 3所示的设备，在三个聚合物薄膜上创建了点型，并使用共聚焦显微镜观察该图案（参见步骤 3........

Discussion

在这项研究中，我们实施了冲击打印式热浮雕工艺，并实时将各种宽度和深度的点图案刻在一系列聚合物薄膜上。在议定书步骤中，应在所有步骤中认真考虑两个步骤。第一个是加热板温度的设置（步骤 3.3.3），第二个是冲击头的初始位置的设置（步骤 3.5.1）。在步骤 3.3.3 中，如果热板的温度过高，则很难形成图案，因为薄膜的粘度会阻碍精细图案的创建。另一方面，如果热板的温度过低，图案的雕刻不顺利。冲击头的初始位置的因子很重要，因为冲击标头的位置与模式的深度和宽度有关。此外，如果冲击头的高度过低，冲击头的刀头将与热板碰撞，对转向器和加热板造成损坏。这种损坏不仅使者尖端磨损，而且对下一步雕刻的图案的高度和宽度也有不利影响。出于这些原因，在步骤 3.3.3 和 3.5.1 期间，应仔细考虑加热温度和点火条件。

在早期关于冲击型热浮雕的工作中，PMMA薄膜采用了点图案工艺，由于与聚合物膜^15，16相关的固定问题，出现偏差误差。¹⁵为了解决这个问题，考虑使用热板两侧的薄膜支架固定聚合物薄膜，与以前的值相比，这种策略减少了误差。还表明.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
用于真空成型的 0.3mm 高品质透明硬包装 PVC 薄膜卷	Sunyo	SY1023	PVC 薄膜 / 厚度：300µm
丙烯酸（PMMA） 薄膜	SEJIN TS	C200	PMMA 薄膜 / 厚度 ： 175µm
共聚焦激光扫描显微镜：用于材料分析和测试的 3D 形貌	卡尔蔡司	LSM 700	3D 共聚焦显微镜 / 支持模式：2D、2.5D、3D 形貌
DAQ 板	NATIONAL INSTRUMENTS	USB-6211	控制板，用于两级和冲击接头 / 16 个输入，16 位，250kS/s，多功能 I/O
DC 电源	SMART	RDP-305AU	3通道电源 / 输出电压 ： 0~30V， 输出电流 ： 0~5A
L511 stage	PI	L511.20SD00	Z-stage / 行程范围： 52mm
大型数字热板	DAIHAN Scientific	HPLP-C-P	热板 / 最高温度 ： 350ºC
M531 载物台	PI	M531.2S1	X-stage / 行程范围：306mm
聚酯 PET 薄膜	CSHyde	48-2F-36	PET 薄膜 / 厚度：50µm
OPA2541	BURR-BROWN	OPA2541BM	运算放大器 / 输出电流 ： 5A， 输出电压 ： ±40V