Method Article

Estudio de un proceso de patrón de puntos en materiales flexibles utilizando la tecnología de grabado en caliente de tipo de impresión de impacto

DOI:

10.3791/60694

⸱

April 6th, 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Robotics Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un cabezal de impacto para grabar patrones de puntos en materiales flexibles en tiempo real. Esta tecnología cuenta con un sistema de control para controlar el movimiento on-off y la posición del cabezal de impacto para crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en diferentes películas de polímeros.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí presentamos nuestro estudio sobre un proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto que puede crear patrones de puntos con varios diseños, anchos y profundidades en tiempo real en película de polímero. Además, implementamos un sistema de control para el movimiento on-off y la posición del encabezado de impacto para grabar diferentes patrones de puntos. Realizamos patrones de puntos en varias películas de polímeros, como película de poliéster (PET), película de polimetilmetacrilato (PMMA) y película de cloruro de polivinilo (PVC). Los patrones de puntos se midieron utilizando un microscopio confocal, y confirmamos que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto produce menos errores durante el proceso de patrón de puntos. Como resultado, el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto se encuentra adecuado para el grabado de patrones de puntos en diferentes tipos de películas de polímeros. Además, a diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, este proceso no utiliza un sello de relieve. Por lo tanto, el proceso es simple y puede crear patrones de puntos en tiempo real, presentando ventajas únicas para la producción en masa y la producción por lotes de pequeña cantidad.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los investigadores están intentando activamente miniaturizar los dispositivos y pantallas existentes y aumentar la flexibilidad de estos dispositivos1,2. Para reducir la anchura y la profundidad de los canales eléctricos a la escala micro o nano, es necesaria una tecnología de alta precisión. Además, para aumentar la flexibilidad de estos dispositivos, los patrones de los canales eléctricos deben estar situados en un material flexible, como una película de polímero3,4. Para cumplir con estas condiciones, el estudio de la tecnología de microprocesamiento ultrafino está en marcha activamente.

La tecnología de microfabricación ultrafina tiene una ventaja en que los posibles materiales de patrón incluyen no sólo materiales altamente rígidos como hierro o plástico, sino también materiales blandos como películas de polímeros. Debido a estas ventajas, esta tecnología es ampliamente utilizada como un proceso central en diversos campos, tales como comunicaciones, química, óptica, aeroespacial, semiconductor, y sensores5,6,7. En el campo de microprocesamiento ultrafino, SE utilizan los métodos LIGA (litografía, galvanoplastia y moldeo) o micromecanizado8. Sin embargo, estos métodos convencionales están asociados con varios problemas. Los métodos LIGA requieren una cantidad considerable de tiempo y varios pasos de proceso para crear patrones ultrafinos e incurrir en un alto costo, ya que también necesitan muchos tipos diferentes de equipos durante los procesos. Además, los métodos LIGA utilizan sustancias químicas que pueden contaminar el medio ambiente.

Para abordar este problema, la tecnología de procesos de grabado en caliente se ha destacado entre las tecnologías de microprocesos ultrafinas. El grabado en caliente es una tecnología que crea un patrón en una película de polímero calentada utilizando un molde de relieve a micro o nanoescala. La tecnología convencional de grabado en caliente se divide en el tipo de placa y el tipo de rollo a rollo dependiendo de la forma del molde. Los dos tipos de tecnología de grabado en caliente son diferentes en términos de la forma del molde, pero estos dos procesos son similares en que el molde de grabado presiona la película de polímero en una placa calentada para grabar un patrón en la película de polímero. Para grabar el patrón utilizando el proceso de grabado en caliente, es necesario calentar la película de polímero por encima de la temperatura de transición del vidrio y aplicar una cantidad adecuada de presión (30–50 MPa)9. Además, la anchura y la profundidad del patrón cambian dependiendo de la temperatura de la placa calentada, el material y la forma del molde de relieve. Además, el método de enfriamiento después del proceso de patrón afecta a la forma del patrón en la película de polímero.

En el proceso de grabado en caliente convencional, los sellos o rodillos de relieve se pueden grabar con el patrón deseado, y el molde de relieve se puede utilizar para imprimir el mismo patrón en superficies de película de polímero continuamente. Esta característica hace que este proceso sea adecuado no sólo para la producción en masa, sino también para la fabricación de dispositivos con materiales blandos, tales como películas de polímero10,11,12,13,14. Sin embargo, el método de grabado en caliente convencional solo puede crear el patrón único grabado en el molde de relieve. Por lo tanto, cuando el usuario desea crear un nuevo patrón o modificar el patrón, debe crear un nuevo molde para modificar el patrón de impresión. Por esta razón, el grabado en caliente convencional es costoso y consume mucho tiempo al crear nuevos patrones o reemplazar diseños existentes.

El trabajo anterior introdujo el proceso de grabado en caliente de tipo impacto para producir patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real15. A diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, el método de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un encabezado de impacto para crear patrones en la película de polímero. Esta tecnología mueve el cabezal de impacto a la posición deseada con un sistema de posicionamiento de precisión. Una señal de control se aplica a los patrones de impresión en la anchura y profundidad deseadas y en una posición arbitraria. La estructura de la cabecera de impacto consta de un movimiento, un muelle, un bobinado y un núcleo (véase la figura 1A)15. Trabajos anteriores confirmados a través de un análisis y experimento que tal encabezado de impacto puede producir la fuerza adecuada para el grabado en caliente16. El protocolo de este documento cubre el diseño del hardware para el proceso de grabado en caliente de tipo impacto y el entorno de control para el control del proceso. Además, analizamos los patrones de puntos en película PET, película PMMA y película de PVC, todos los cuales se procesan con el protocolo propuesto para verificar que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto puede crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real. Los resultados de estos experimentos se presentan a continuación en la sección de resultados, confirmando que el proceso de grabado puede producir patrones ultrafinos adecuadamente.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Fabricación del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto

  1. Haga el modelo 1 y combínelo con una etapa X (consulte la figura 1).
    NOTA: Se recomienda que el Modelo 1 esté hecho de aluminio para evitar que el calor se lleve a cabo en la etapa X. Además, se recomienda que la longitud del Modelo 1 sea la distancia entre la superficie de la placa de calor y la altura más baja de la placa de rodamiento de la etapa Z, ya que el diseño del Modelo 1 varía con el tamaño de la placa de calor.
  2. Combine la etapa X y la etapa Z y ensamble la etapa Z y el Modelo 2.
    NOTA: Asegúrese de que el Modelo 2 esté hecho de un metal que pueda soportar el calor de la placa de calor (por ejemplo, aluminio). La fijación del Modelo 2 a la etapa Z asegurará firmemente la capacidad de la etapa Z para sostener el peso del Modelo 2 y el encabezado de impacto.
  3. Combine el Modelo 2 y el encabezado de impacto y coloque la placa de calor debajo del Modelo 1.
    NOTA: La unión del cabezal de impacto con la posición más baja en el Modelo 2 garantizará que el motor alcance la superficie de la placa de calor. Se recomienda instalar la placa de calor después de elevar la etapa Z al máximo para evitar cualquier contacto del cabezal de impacto con la superficie de la placa de calor. Utilice el software adecuado para controlar el escenario.
  4. Convierta los archivos STL del soporte de película(Archivo complementario 1 y Archivo complementario 2)a archivos GCODE utilizando el software adecuado para imprimir el soporte de película con una impresora tridimensional (3D).
    NOTA: El software puede variar según la impresora 3D utilizada, y algunos entornos pueden admitir entornos de impresora 3D sin conversión de GCODE.
  5. Utilice la impresora 3D para imprimir el soporte de película con el archivo GCODE.
    NOTA: Se recomienda utilizar un filamento (por ejemplo, Z-HIPS) porque se producirá menos contracción al imprimir piezas grandes, como el soporte de película.
  6. Instale dos soportes de película en el extremo de la placa de calor y fije la película de polímero en el soporte de película, como se muestra en la Figura 1. Para asegurarse de que la película de polímero está plana en la placa de calor, tire de la película de polímero tanto como sea posible utilizando el movimiento 1 del soporte de película (véase la figura 1B). Para mover la película de polímero hacia un lado, mueva el soporte de película mediante el movimiento 2 (consulte la figura 1B).
    NOTA: Para fijar la película de polímero en el soporte de película, se recomienda utilizar un tornillo. El pegamento es insuficiente para fijar la película de polímero en el soporte de película, y es mejor para el desprendimiento de la película de polímero después del experimento de patrón.

2. Fabricación del circuito de control

NOTA: Este proceso describe el proceso de construcción del circuito de control de la cabecera de impacto y la etapa X-Z.

  1. Conecte el dispositivo de control que envía las señales (consulte Tabla de materiales)al encabezado de impacto para controlarlo.
  2. Después de conectar el dispositivo de control al encabezado de impacto, introduzca -3 V y +10 V como señales de control en el encabezado de impacto.
    NOTA: Si se envía una señal de control de +10 V al encabezado de impacto (consulte la figura 1),el motor (cabeza de impacto) baja y entra en el estado de encendido. En este estado, el motor golpea la película polimérica y graba el patrón en la película de polímero.
    1. Levante el movimiento para grabar el siguiente patrón después de grabar un patrón utilizando el movimiento del encabezado de impacto. Para elevar el motor (cabezal de impacto), aplique la señal de control de -3 V.
      NOTA: Se introduce un voltaje negativo en el cabezal de impacto para evitar que el movimiento se magnetiza por el flujo remanente interno del cabezal de impacto.
  3. Si el dispositivo de control no puede suministrar una señal de control suficiente, utilice un amplificador de operación de alta potencia (por ejemplo, OP-AMP) que amplifica la señal de control de 0 V–5 V a -3 V–+10 V, como se muestra en la Figura 2,para controlar el encabezado del impacto.
    1. En primer lugar, prepare una fuente de alimentación de CC de doble canal (consulte Tabla de materiales). Después de este paso, conecte cuatro nodos para proporcionar nodos de tierra comunes (GND) a todos los canales: un terminal de voltaje positivo (V1+) y un terminal de tierra (GND) para el canal 1 y un terminal de voltaje negativo (V2-) y tierra (GND) para el canal 2. En la Figura 2se muestra un diagrama de conexión general.
      NOTA: Según el paso descrito en 2.3.1, se puede suministrar tensión positiva y negativa con diferentes valores absolutos al amplificador operacional (OP-AMP).
    2. Conecte el terminal de tensión negativa del canal 1 (V1-) de la fuente de alimentación al terminal de tensión de alimentación negativa (Vs-) del OP-AMP, como indica la línea azul de la Figura 2. Posteriormente, entrada de voltaje Vcc de 3 V al canal 1.
      NOTA: Según el paso 2.3.1, la tensión de 3 V Vcc se suministra como voltaje negativo de -3 V al terminal de tensión de alimentación negativa (Vs-) del OP-AMP.
    3. Conecte el terminal de tensión positiva del canal 2 (V2+) de la fuente de alimentación al terminal de tensión de alimentación positiva (Vs+) del OP-AMP, como indica la línea roja de la Figura 2. Posteriormente, introduzca 10 V Vcc de tensión al canal 2.
      NOTA: Según el paso 2.3.1, la tensión de 10 V Vcc se suministra como voltaje positivo de +10 V al terminal de tensión de alimentación positiva (Vs+) del OP-AMP.
    4. Conecte el canal +output de un dispositivo de control (Vcon+) al canal de entrada positivo (Vin+) del OP-AMP, tal y como se muestra en la línea verde de la Figura 2.
    5. Conecte el canal de salida de un dispositivo de control (Vcon-) a la tierra (GND) del canal 2 de la fuente de alimentación, como se muestra en la línea negra de la Figura 2.
      NOTA: Al conectar el (Vcon-) a la tierra (GND), es posible conectarlo a uno de los terminales conectados durante el paso 2.3.1 además del GND del canal 2.
    6. Prepare la resistencia eléctrica de los valores de 1 k y 10 ko en cada caso y conéctelos entre la línea roja y la línea negra, como se muestra en la Figura 2.
    7. Conecte el terminal entre 1 k y 10 ko al canal de entrada negativo del OP-AMP (Vin-), tal y como se muestra en la línea púrpura de la Figura 2.
    8. Extraiga las líneas del canal de salida del OP-AMP (Vout) y uno de los terminales eléctricos descritos en el paso 2.3.1. Conecte las líneas al encabezado del impacto, tal y como se muestra en de la línea naranja en la Figura 2.
    9. En cuanto a la fuente de alimentación, ajuste los voltajes del canal 1–3 Vcc y del canal 2–10 Vcc. Posteriormente, genere señales de control de 0 V–5 V desde el dispositivo de control.
      NOTA: Las señales de control de 0 V–5 V generadas serán amplificadas por el OP-AMP a -3 V–+10 V, lo que es necesario para controlar el encabezado de impacto como se describe en los pasos 2.2.1 y 2.2.2.

3. Diseño del experimento

NOTA: En esta sección se describen los procesos de control del dispositivo de grabado en caliente de tipo impacto y los patrones de puntos de grabado en la película de polímero.

  1. Instale un programa de control de etapa (por ejemplo, Micromove) para controlar la etapa X y la etapa Z mediante un ordenador de control (PC).
  2. Instale el software del controlador DAQ para detectar el dispositivo de control en el PC de control que controla el encabezado de impacto e instale un programa operativo (por ejemplo, MATLAB) para controlar el dispositivo de control.
  3. Después de instalar el software, construya el entorno de hardware como se muestra en la Figura 3A para llevar a cabo el experimento de patrón.
    1. Instale la etapa X, la etapa Z, el cabezal de impacto, el soporte de película y la placa de calor, como se muestra en la Figura 3A, para construir el entorno de hardware.
    2. Fije la película de polímero en el soporte de película y ajuste la posición de la película de polímero utilizando los movimientos 1 y 2 (ver Figura 1B)para fijar la película de forma plana.
      NOTA: Para mantener la película plana mientras se ajusta la dirección 2, las ubicaciones de los dos soportes de película deben ser paralelas. Para que la película sea plana en la placa de calor, se recomienda ajustar el soporte de la película bajando la posición de acuerdo con la dirección 1, como se muestra en la Figura 1B.
    3. Después de fijar la película de polímero, ajuste la temperatura de la placa de calor para calentar la película por encima de la temperatura de transición del vidrio.
      NOTA: Cada tipo de película tiene su propia temperatura de transición de vidrio. Por lo tanto, se recomienda ajustar la temperatura de la placa de calor a su propia temperatura de transición de vidrio después de comprobar las propiedades del material de la película en la hoja de datos correspondiente.
  4. Después de configurar el hardware, reúna el circuito de control como se muestra en la figura 3B para controlar la etapa y el encabezado de impacto.
    1. Prepare el PC, la placa de control, la fuente de alimentación y el OP-AMP para construir el entorno de control como se muestra en la Figura 3B. Conecte los dispositivos como se muestra en la figura 2 y, a continuación, conecte el equipo a la placa de control.
    2. Ingrese los valores de 3 Vcc y 10 Vcc en un OP-AMP a través de los canales 1 y 2 de la fuente de alimentación respectivamente, según lo descrito en el paso 2.3.9.
  5. Controle la etapa y el encabezado de impacto mediante el equipo de control.
    1. Ajuste la posición inicial de la cabecera de impacto controlando las etapas X y Z mediante el programa de control de etapa.
      NOTA: Al ajustar la posición inicial del cabezal de impacto, asegúrese de que no haya colisión entre el cabezal de impacto y la placa de calor. Si la posición de la etapa Z es demasiado baja, el movimiento chocará con la placa de calor, dañando tanto el motor como la placa de calor. Si hay daño a ambos dispositivos, obstaculizará la creación de patrones finos en un material polimérico.
    2. Usando el programa operativo, genere una señal de control de 5 V desde el dispositivo de control. De acuerdo con los pasos 2.3.1–2.3.9, el OP-AMP amplificará la señal de control de 5 V a +10 V, encenderá el encabezado de impacto y grabará los patrones en la película de polímero.
    3. Ahora genere una señal de control de 0 V desde el dispositivo de control utilizando el programa operativo. De acuerdo con los pasos 2.3.1–2.3.9, el OP-AMP amplificará la señal de control de 0 V a -3 V y apagará el encabezado de impacto.
      NOTA: Se elevará el movimiento del encabezado de impacto, a la espera de grabar el nuevo patrón.
    4. Mueva la etapa X a su posición para grabar el siguiente patrón.
    5. Grabe los patrones 3x en la película de polímero repitiendo los pasos 3.5.1–3.5.4 secuencialmente.
    6. Baje la etapa Z a 10 m desde la posición inicial y ejecute el paso 3.5.5, contando el número de movimientos de la etapa Z. Cuando el número de movimientos de la etapa Z supere los tres, mueva la etapa X a la posición inicial y elabe el encabezado de impacto al máximo moviendo la etapa Z.
      NOTA: Cambiar la altura de la etapa Z garantizará ajustes en la profundidad y anchura del patrón de puntos.
  6. Separe la película de polímero del soporte de película y mida la anchura y profundidad de cada patrón utilizando un microscopio confocal (véase Tabla de materiales), como se muestra en la Figura 4A.
    1. Antes de iniciar el proceso de medición, seleccione el valor de ampliación del microscopio y utilice el modo de observación directa inicialmente para ajustar la posición de escaneado de la película polimérica. Después de ajustar la posición mediante observación directa, fije la película de polímero y cambie el modo de escaneo al modo de escaneo láser.
      NOTA: Cuando se utiliza el microscopio confocal, se recomienda utilizar un panel acrílico para fijar la muestra, como se muestra en la Figura 4B.
    2. Usando el modo de escaneo láser, mida la profundidad y la anchura del patrón de puntos.
  7. Repita los pasos 3.3.2–3.6.2 después de cambiar el tipo de película.
    NOTA: Teniendo en cuenta la temperatura de transición del vidrio de cada tipo de película, ajuste la temperatura de la placa de calor antes de colocar cada película en la placa de calor. En este estudio, la temperatura de transición de vidrio de la película de PVC es de 100 oC; para la película pmMA es de 95 oC, y para la película PET es de 75 oC.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto es un proceso que se puede utilizar para grabar patrones de puntos en una película de polímero en tiempo real, como se muestra en la Figura 1. Este proceso puede resolver los problemas del alto costo y los largos tiempos para el reemplazo de patrones asociados con el proceso de grabado en caliente existente. Se construyó un circuito de control, como se muestra en la Figura 2 (consulte los pasos 2.3–2...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En este estudio, implementamos el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto y patrones de puntos grabados con varios anchos y profundidades en una gama de películas de polímeros en tiempo real. Entre los pasos del protocolo, dos pasos deben ser considerados críticamente entre todos los pasos. El primero es el ajuste de la temperatura de la placa de calor (paso 3.3.3), y el segundo es el ajuste de la posición inicial del encabezado de impacto (paso 3.5.1). En el paso 3.3.3, si la temperatura de la placa ...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Esta investigación está respaldada por el proyecto titulado "Desarrollo de la tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto para una capa conductora utilizando materiales nanocompuestos conductores" a través del Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) de Corea (N046100024, 2016).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Rollo de película de PVC de embalaje rígido transparente de alta calidad de 0,3 mm para la formación al vacío dede PVC SunyoSY1023/ Espesor: 300 y micro; m
Película acrílica (PMMA)SEJIN TSC200Película de PMMA / Espesor: 175µ
Microscopio de escaneo láser confocal m: Topografía 3D para análisis y pruebas de materialesCarl ZeissLSM 700Microscopio confocal 3D / Modo de soporte : 2D, 2.5D, topografía
3D Placa DAQNATIONAL INSTRUMENTSUSB-6211 Tablero decontrol para cabezal de dos etapas e impacto / 16 entradas, 16 bits, 250 kS/s, E/S multifunción
Fuente de alimentación DCSMARTRDP-305AUFuente de alimentación de 3 canales / voltaje de salida: 0 ~ 30 V, corriente de salida: 0 ~
5A etapa L511 PIL511.20SD00etapa Z / Rango de viaje: 52 mm
Placa calefactora digital grandeDAIHAN ScientificHPLP-C-P/ Temperatura máxima: 350º C
M531 etapaPIM531.2S1X-stage / Rango de recorrido : 306 mm
Películas de PET de poliésterMylar CSHyde48-2F-36Película de PET / Espesor : 50µ m
OPA2541BURR-BROWNOPA2541BMOP-AMP / Corrientes de salida : 5A, voltaje de salida : ± 40V
la película

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