Alta resolución patrones usando dos modos de electrohidrodinámicos Jet: caída en la demanda y Electrospinning de campo cercano

La impresión electrohidrodinámica por chorro es un método de modelado directo sin contacto que se puede utilizar en diversos campos, como la electrónica impresa, los materiales avanzados, la biotecnología, etc. El método de impresión por chorro electrohidrodinámico utiliza un alto campo eléctrico para arrastrar la tinta cargada al sustrato. Para ello, se utiliza un sistema fluídico para empujar la tinta a la boquilla, y se utiliza una fuente de alimentación de alto voltaje para producir el campo eléctrico.

La principal ventaja de esta técnica es que se puede utilizar para imprimir puntos o patrones muy pequeños, en comparación con el método convencional de impresión por inyección de tinta. En función de las configuraciones eléctricas y fluídicas, se pueden implementar tres modos diferentes de impresión bajo demanda, electrohilado y electropulverización. Para el modelado fino, nos centraremos en el DOD y la electropsinación de campo cercano.

El DOD utiliza tanto el voltaje de CC como el voltaje de pulso para la inyección, mientras que el electrohilado de campo cercano utiliza solo voltaje de CC para la inyección. Las personas sabían que este método tendría dificultades para lograr una inyección adecuada porque requiere más cosas específicas y diferentes métodos de bolígrafo de impresión, como el voltaje, la boquilla, la velocidad de impresión y la distancia de pie. El valiente estudiante Mr.Oh demostrará tanto el electrohilado de gota a demanda como el electrohilado de campo cercano utilizando tinta de nanopartículas de plata, con el fin de ayudar a las personas a comprender los procesadores de impresión.

Para la impresión bajo demanda, primero llene el depósito de tinta de la impresora de chorro electrohidrodinámico con tinta de nanopartículas de plata filtrada. A continuación, prepare la boquilla con una pipeta de vidrio, como se describe en el protocolo de texto adjunto. Ensamble el soporte de la boquilla conectando la boquilla al depósito de tinta a través de un tubo de teflón.

A continuación, encienda el controlador de presión de aire y aplique una presión de aire de 15 a 20 kilopascales al depósito de tinta. Controle el flujo de tinta a través de la boquilla de vidrio y el tubo para asegurarse de que no quede aire atrapado al suministrar la tinta. Siga aplicando presión de aire al depósito hasta que aparezca tinta en la punta de la boquilla.

No reduzca la presión antes de que la tinta aparezca en la punta de la boquilla porque eso podría causar el atrapamiento de burbujas de aire en la punta. Una vez que aparezca la tinta en la punta de la boquilla, reduzca la presión a unos 12 kilopascales. Esto mantendrá el menisco extruido sin que gotee tinta de la punta de la boquilla.

A continuación, fije el cabezal de la boquilla montado en el sistema de impresión. Usando una cámara de visión lateral para visualizar el espacio entre la punta de la boquilla y el sustrato, mueva el eje Z de la platina para ajustar el espacio a aproximadamente 100 micrómetros. Un espacio más pequeño conduce a un campo eléctrico más alto, lo que podría facilitar la impresión con voltajes más bajos y de pulso para la inyección.

Sin embargo, un espacio más bajo también podría provocar caídas más grandes si el voltaje no se ajusta correctamente. En este punto, controle la tinta en la boquilla mientras comienza a aplicar voltajes de CC y pulsos. Aumente gradualmente el voltaje de CC en incrementos inferiores a 100 voltios a la vez.

Una vez que la tinta comience a gotear de la boquilla, reduzca ligeramente el voltaje de CC hasta que la tinta deje de gotear de la boquilla. A continuación, establezca un voltaje de pulso negativo con un tiempo de subida igual a cero a 100 microsegundos, un tiempo de permanencia igual a 300 microsegundos y un tiempo de caída igual a cero microsegundos. A continuación, aplique el voltaje de pulso negativo en el soporte del sustrato.

Ahora, ajuste la magnitud del voltaje del pulso para producir una gota por pulso único. A continuación, ajuste el fondo de CC y los voltajes de pulso para obtener el tamaño de gota objetivo en el sustrato, mientras observa los puntos inyectados en el sustrato en la imagen de la cámara de visión lateral. Primero, cargue una imagen de mapa de bits en la pestaña de impresión del software de impresión y conviértala en una imagen binaria.

A continuación, establezca los parámetros para la impresión de imágenes binarias. Por ejemplo, establezca la distancia entre dos gotas, o el intervalo de gota, en diez micrómetros. Una vez configurado, comience a imprimir utilizando el mapa de bits seleccionado en la ubicación de destino del sustrato.

Para prepararse para la impresión vectorial, cargue la información CAD del patrón en el software de impresión. A continuación, establezca los parámetros de la impresión, como la velocidad de impresión y el espaciado entre puntos. Con los parámetros ahora configurados, comience a imprimir.

Para realizar el electrohilado de campo cercano, primero prepare la tinta de nanopasta de plata especialmente formulada. Para lograr esto, mezcle tres partes de etanol y una parte de agua desionizada para hacer 12 mililitros de solvente. A continuación, mezcle 0,3 gramos de óxido de polietileno y 9,7 gramos del disolvente preparado para formar una solución polimérica del 3% en peso.

Con un agitador magnético, mezcle bien la solución durante más de seis horas revolviendo a temperatura ambiente. Con el solvente ahora preparado, mezcle cinco partes de tinta de nanopasta de plata con una parte de la solución de polímero preparada. Combine los dos usando un mezclador de vórtice, mezclando durante diez minutos para suspender correctamente la tinta.

A continuación, llene la tinta preparada en una jeringa y conecte la jeringa a una boquilla a través del tubo de conexión de teflón. Suministre la tinta a la boquilla empujando la jeringa manualmente. Cuando la tinta llegue a la boquilla, instale la jeringa en la bomba de jeringa conectada al sistema de impresión.

Opere la bomba de jeringa para generar un flujo de tinta con un caudal inicial de 50 microlitros por minuto. Cuando la tinta salga de la punta de la boquilla, baje el caudal a un microlitro por minuto. A continuación, aplique la fuente de voltaje de CC al conector de la boquilla mientras el voltaje de tierra está conectado al soporte de sustrato.

Aumente el voltaje de CC gradualmente a 1,5 kilovoltios. El voltaje de CC podría aumentarse hasta dos kilovoltios. Sin embargo, se debe evitar un voltaje de CC superior a dos kilovoltios, ya que podría dañar la tinta.

Una vez configurada, inicie la impresión en reposo con una velocidad de impresión de 300 milímetros por segundo durante al menos 10 minutos para obtener un flujo de estado estacionario. Esto es necesario porque la tinta viscosa puede comprimirse en el tubo largo. Ajuste los parámetros de impresión, como el voltaje de CC y el caudal durante la impresión en reposo, para obtener los resultados de impresión deseados.

Por último, imprime el patrón seleccionado en el sustrato utilizando los parámetros de impresión ahora definidos. La impresión drop-on-demand basada en puntos y la impresión de trama utilizan un solo eje para imprimir puntos en la dirección principal y, a continuación, pasar a la siguiente franja en la subdirección. Esta imagen rasterizada tiene un tamaño de gota de alrededor de cuatro micras.

Por el contrario, la impresión bajo demanda basada en puntos en modo vectorial realiza movimientos simultáneos en las direcciones X e Y y se utiliza para imprimir las líneas. La imagen resultante tiene anchos de línea de cuatro micras. El electrohilado de campo cercano utiliza tinta altamente viscosa para imprimir patrones de forma continua.

Como resultado, este método es adecuado para imprimir líneas rectas con una alta velocidad de impresión y es sensible a los cambios en la velocidad de impresión. Las regiones lentas descartables deben incluirse en el diseño para garantizar un tamaño de línea coherente en la región deseada. En algunos casos, se puede utilizar una velocidad de inyección baja para generar un patrón de onda utilizando una velocidad de impresión baja de menos de 100 milímetros por segundo.

Los patrones pueden volverse ondulados, como se muestra aquí. Este tipo de patrón ondulado puede ser útil en aplicaciones de electrónica elástica. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores produjeran patrones finos para sus aplicaciones específicas.

Tenga en cuenta que este método de impresión no se limita solo a la tinta de nanopartículas de plata, sino que también se puede utilizar en otras aplicaciones con varias tintas. Mientras intenta este procedimiento, es importante recordar que debe utilizar la tinta adecuada para imprimir. Consulte las directrices generales para la selección de tintas que se proporcionan en el texto de este artículo.

Asegúrese de ajustar los parámetros de impresión de acuerdo con la selección de tinta y las aplicaciones. No olvide que trabajar con productos químicos, alto voltaje y alta presión puede ser peligroso, y siempre se deben tomar precauciones al realizar este procedimiento.