Method Article

Studio di un processo di modellazione di punti su materiali flessibili utilizzando la tecnologia di embossing a caldo di tipo di stampa di impatto

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 tecnologia di rilievo a caldo tipo di stampa Impact utilizza un'intestazione d'impatto per racchiudere i modelli di punti su materiali flessibili in tempo reale. Questa tecnologia ha un sistema di controllo per controllare il movimento on-off e la posizione dell'intestazione d'impatto per creare modelli di punti con varie larghezze e profondità su diverse pellicole polimeriche.

Abstract

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

Qui presentiamo il nostro studio su un processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto che può creare modelli di punti con vari disegni, larghezze e profondità in tempo reale su pellicola polimerica. Inoltre, abbiamo implementato un sistema di controllo per il movimento on-off e la posizione dell'intestazione di impatto per incidere diversi modelli di punti. Abbiamo eseguito patterning a punti su varie pellicole polimeriche, come pellicole in poliestere (PET), pellicola methacriliato polimeticolo (PMMA) e pellicola di cloruro polivinile (PVC). I modelli di punti sono stati misurati utilizzando un microscopio confocale e abbiamo confermato che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa produce meno errori durante il processo di modellazione del punto. Di conseguenza, il processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto è ritenuto adatto per l'incisione di modelli di punti su diversi tipi di pellicole polimeriche. Inoltre, a differenza del processo convenzionale di goffratura a caldo, questo processo non utilizza un timbro goffratura. Pertanto, il processo è semplice e può creare modelli di punti in tempo reale, presentando vantaggi unici per la produzione di massa e la produzione di lotti di piccole quantità.

Introduction

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

I ricercatori stanno attivamente tentando di miniaturizzare i dispositivi e i display esistenti e aumentano la flessibilità di questi dispositivi1,2. Per ridurre la larghezza e la profondità dei canali elettrici alla micro o nanoscala, è necessaria una tecnologia ad alta precisione. Inoltre, per aumentare la flessibilità di questi dispositivi, i modelli dei canali elettrici devono essere posizionati su un materiale flessibile, come una pellicola polimerica3,4. Per soddisfare queste condizioni, è attivamente in corso lo studio della tecnologia di microprocessing ultrafine.

La tecnologia di microfabbricazione ultrafine ha un vantaggio in quanto i possibili materiali di modellazione includono non solo materiali altamente rigidi come ferro o plastica, ma anche materiali morbidi come le pellicole polimeriche. A causa di questi vantaggi, questa tecnologia è ampiamente utilizzata come processo di base in vari campi, come le comunicazioni, la chimica, l'ottica, l'aerospaziale, il semiconduttore e i sensori5,6,7. Nel campo della microlavorazione ultrafine, vengono utilizzati i metodi LIGA (litografia, elettroplastica e stampaggio) o di microlavorazione8. Tuttavia, questi metodi convenzionali sono associati a diversi problemi. I metodi LIGA richiedono una notevole quantità di tempo e diversi passaggi di processo per creare modelli ultrafini e incorrere in un costo elevato anche perché hanno bisogno di molti tipi diversi di apparecchiature durante i processi. Inoltre, i metodi LIGA utilizzano sostanze chimiche che possono inquinare l'ambiente.

Per risolvere questo problema, la tecnologia di processo di rilievo a caldo è stata messa in evidenza tra le tecnologie di microprocesso ultrafine. L'embossing a caldo è una tecnologia che crea un modello su una pellicola polimerica riscaldata utilizzando uno stampo in rilievo a micro o nanoscala. La tecnologia di goffratura a caldo convenzionale è suddivisa nel tipo di piastra e nel tipo roll-to-roll a seconda della forma dello stampo. I due tipi di tecnologia di goffratura a caldo sono diversi in termini di forma dello stampo, ma questi due processi sono simili in quanto lo stampo in rilievo preme la pellicola polimerica su una piastra riscaldata per incidere un modello sulla pellicola polimerica. Per incidere il modello utilizzando il processo di goffratura a caldo, è necessario riscaldare la pellicola polimerica sopra la temperatura di transizione del vetro e applicare una quantità adeguata di pressione (30-50 MPa)9. Inoltre, la larghezza e la profondità del modello cambiano a seconda della temperatura della piastra riscaldata, del materiale e della forma dello stampo in rilievo. Inoltre, il metodo di raffreddamento dopo il processo di modellazione influisce sulla forma del modello sulla pellicola polimerica.

Nel processo di goffratura a caldo convenzionale, i francobolli o i rulli di goffratura possono essere sbalzati con il modello desiderato e lo stampo in rilievo può essere utilizzato per stampare lo stesso modello su superfici di pellicola polimerica in modo continuo. Questa caratteristica rende questo processo adatto non solo per la produzione di massa, ma anche per la fabbricazione di dispositivi con materiali morbidi, come pellicole polimeriche10,11,12,13,14. Tuttavia, il metodo convenzionale di goffratura a caldo può creare solo il singolo modello inciso nello stampo in rilievo. Pertanto, quando l'utente desidera creare un nuovo modello o modificare il modello, deve creare un nuovo stampo per modificare il modello di imprinting. Per questo motivo, l'embossing a caldo convenzionale è costoso e richiede molto tempo quando si creano nuovi modelli o si sostituiscono i progetti esistenti.

I lavori precedenti hanno introdotto il processo di goffratura a caldo di tipo impatto per la produzione di modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale15. A differenza del processo di goffratura a caldo convenzionale, il metodo di goffratura a caldo di tipo di stampa utilizza un'intestazione di impatto per creare modelli sulla pellicola polimerica. Questa tecnologia sposta l'intestazione di impatto nella posizione desiderata con un sistema di posizionamento di precisione. Un segnale di controllo viene applicato ai pattern di stampa a una larghezza e profondità desiderate e a una posizione arbitraria. La struttura dell'intestazione d'impatto è costituita da un motore, una molla, un avvolgimento della bobina e un nucleo (vedere Figura 1A)15. Il lavoro precedente ha confermato attraverso un'analisi e l'esperimento che tale intestazione di impatto può produrre la forza appropriata per il rilievo a caldo16. Il protocollo di questo documento riguarda la progettazione dell'hardware per il processo di sbalzo a caldo di tipo impatto e l'ambiente di controllo per il controllo del processo. Inoltre, analizziamo i modelli di punti su pellicola PET, pellicola PMMA e pellicola in PVC, tutti elaborati con il protocollo proposto per verificare che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa possa creare modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale. I risultati di questi esperimenti sono presentati di seguito nella sezione dei risultati, confermando che il processo di goffratura può produrre opportunamente modelli ultrafini.

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Protocol

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

1. Fabbricazione del processo di sbalzo a caldo tipo di stampa

  1. Creare il modello 1 e combinarlo con una fase X (vedere La Figura 1).
    NOTA: Si raccomanda di fare il modello 1 di alluminio per evitare che il calore venga condotto sullo stadio X. Inoltre, si raccomanda che la lunghezza del modello 1 sia la distanza tra la superficie della piastra di calore e l'altezza più bassa della piastra di cuscinetto della fase di z in quanto il design del modello 1 varia in base alle dimensioni della piastra di calore.
  2. Unire lo stadio X e lo stadio z e assemblare lo stadio z e il modello 2.
    NOTA: Assicurarsi che il modello 2 sia costituito da un metallo che può sopportare il calore della piastra di calore (ad esempio, l'alluminio). La fissazione del Modello 2 alla fase a z garantirà la capacità dello stadio z di mantenere il peso del Modello 2 e dell'intestazione d'impatto.
  3. Combinare il modello 2 e l'intestazione di impatto e posizionare la piastra di calore sotto il modello 1.
    NOTA: L'unione dell'intestazione di impatto con la posizione più bassa sul modello 2 garantirà che il mover raggiunga la superficie della piastra termica. Si consiglia di installare al massimo la piastra di calore dopo aver sollevato al massimo la fase di z per evitare qualsiasi contatto della testa d'impatto con la superficie della piastra di calore. Utilizzare un software adatto per controllare il palco.
  4. Convertire i file STL del supporto pellicola (Supplementary File 1 e Supplementary File 2) in file GCODE utilizzando un software adatto per stampare il supporto pellicola con una stampante tridimensionale (3D).
    NOTA: il software può variare con la stampante 3D utilizzata e alcuni ambienti potrebbero supportare ambienti di stampa 3D senza conversione GCODE.
  5. Utilizzare la stampante 3D per stampare il portapellicola con il file GCODE.
    NOTA: si raccomanda l'utilizzo di un filamento (ad es., s.p.) perché si verificherà una minore contrazione quando si stampano parti di grandi dimensioni, come il supporto della pellicola.
  6. Installare due supporti per pellicole all'estremità della piastra di calore e fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, come illustrato nella Figura 1. Per assicurarsi che la pellicola polimerica sia piatta sulla piastra di calore, tirare la pellicola polimerica il più possibile utilizzando il movimento 1 del supporto della pellicola (vedere Figura 1B). Per spostare la pellicola polimerica laterale, spostare il supporto della pellicola tramite il movimento 2 (vedere La Figura 1B).
    NOTA: Per fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, si consiglia di utilizzare una vite. La colla è insufficiente per apporre la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, ed è meglio per il distacco della pellicola polimerica dopo l'esperimento di patterning.

2. Fabbricazione del circuito di controllo

NOTA: Questo processo descrive il processo di costruzione del circuito di controllo dell'intestazione di impatto e della fase X–.

  1. Collegare il dispositivo di controllo che invia i segnali (vedere Tabella dei materiali) all'intestazione dell'impatto per controllarlo.
  2. Dopo aver collegato il dispositivo di controllo all'intestazione d'impatto, immettere -3 V e 10 V come segnali di controllo nell'intestazione di impatto.
    NOTA: se viene inviato un segnale di controllo da 10 V all'intestazione dell'impatto (vedere la Figura 1),il mover (testa d'impatto) scende ed entra nello stato di svolta. In questo stato, il trasloco colpisce la pellicola polimerica e incide il modello sulla pellicola polimerica.
    1. Sollevare il trasè per incidere il modello successivo dopo aver incisione un modello utilizzando il mover dell'intestazione d'impatto. Per sollevare il mover (testa d'impatto), applicare il segnale di controllo -3 V.
      NOTA: una tensione negativa viene immessa nell'intestazione dell'impatto per evitare che il movimento venga magnetizzato dal flusso residuo interno dell'intestazione di impatto.
  3. Se il dispositivo di controllo non è in grado di fornire un segnale di controllo sufficiente, utilizzare un amplificatore ad alta potenza (ad esempio OP-AMP) che amplifica il segnale di controllo v-5 V a s-3 V – 10 V, come mostrato nella Figura 2, per controllare l'intestazione dell'impatto.
    1. Innanzitutto, preparare un alimentatore DC a doppio canale (vedere Tabella dei materiali). Dopo questo passaggio, collegare quattro nodi per fornire nodi di terra comune (GND) a tutti i canali: un terminale di tensione positiva (V1) e un terminale di terra (GND) per il canale 1 e un terminale di tensione negativo (V2-) e terra (GND) per il canale 2. Un diagramma di connessione generale è illustrato nella Figura 2.
      NOTA: Secondo il passaggio descritto in 2.3.1, la tensione positiva e negativa con diversi valori assoluti può essere fornita all'amplificatore operativo (OP-AMP).
    2. Collegare il terminale di tensione negativo del canale 1 (V1-) dell'alimentatore al terminale di tensione di alimentazione negativo (Vs-) dell'OP-AMP, come indicato dalla linea blu nella Figura 2. Successivamente, inserire 3 V V Vcc voltagia al canale 1.
      NOTA: Secondo il passo 2.3.1, la tensione 3 V Vcc viene fornita come tensione negativa -3 V al terminale di tensione di alimentazione negativa (Vs-) dell'OP-AMP.
    3. Collegare il terminale di tensione positivo del canale 2 (V2) dell'alimentazione al terminale di alimentazione positiva (Vs) dell'OP-AMP, come indicato dalla linea rossa nella figura 2. Successivamente, immettere 10 V V Vcc voltaggio al canale 2.
      NOTA: Secondo il passo 2.3.1, la tensione V Vcc 10 V viene fornita come tensione positiva da 10 V al terminale di tensione di alimentazione positiva (Vs) dell'OP-AMP.
    4. Collegare il canale di output di un dispositivo di controllo (Vcon) al canale di ingresso positivo (Vin) dell'OP-AMP, come mostrato dalla linea verde nella Figura 2.
    5. Collegare il canale -output di un dispositivo di controllo (Vcon-) al suolo (GND) del canale 2 dell'alimentatore, come mostrato dalla linea nera nella Figura 2.
      NOTA: Quando si collega il (Vcon-) al suolo (GND), è possibile collegarlo a uno dei terminali collegati durante la fase 2.3.1 oltre al GND del canale 2.
    6. Preparare la resistenza elettrica di 1 ke 10 valori in ogni caso e collegarli tra la linea rossa e la linea nera, come mostrato nella Figura 2.
    7. Collegare il terminale tra 1 ke 10 k, al canale di ingresso negativo dell'OP-AMP (Vin-), come mostrato dalla linea viola in Figura 2.
    8. Estrarre le linee dal canale di uscita dell'OP-AMP (Vout) e uno dei terminali elettrici descritti nel passaggio 2.3.1. Collegare le righe all'intestazione dell'impatto, come illustrato dalla riga arancione nella figura 2.
    9. Per quanto riguarda l'alimentazione, impostare le tensioni del canale 1–3 Vcc e del canale 2–10 Vcc. Successivamente, generare i segnali di controllo di 0 V–5 V dal dispositivo di controllo.
      NOTA: i segnali di controllo V–5 V generati saranno amplificati dall'OP-AMP a i v,10 V, necessari per controllare l'intestazione dell'impatto, come descritto nei passaggi 2.2.1 e 2.2.2.

3. Progettazione dell'esperimento

NOTA: in questa sezione vengono descritti i processi di controllo del dispositivo di goffratura a caldo di tipo impatto e di incisione dei modelli di punti sulla pellicola polimerica.

  1. Installare un programma di controllo dello stage (ad esempio, Micromove) per controllare lo stadio X e lo stage z utilizzando un computer di controllo (PC).
  2. Installare il software del driver DAQ per rilevare la periferica di controllo nel PC di controllo che controlla l'intestazione dell'impatto e installare un programma operativo (ad esempio, MATLAB) per controllare il dispositivo di controllo.
  3. Dopo aver installato il software, costruire l'ambiente hardware come illustrato nella Figura 3A per condurre l'esperimento di patterning.
    1. Installare la fase X, la fase , l'intestazione di impatto, il supporto della pellicola e la piastra termica, come illustrato nella Figura 3A per costruire l'ambiente hardware.
    2. Fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola e regolare la posizione della pellicola polimerica utilizzando i movimenti 1 e 2 (vedere Figura 1B) per fissare la pellicola in modo piatto.
      NOTA: Per mantenere piatta la pellicola mentre si regola la direzione 2, le posizioni dei due supporti della pellicola devono essere parallele. Per rendere la pellicola piatta sulla piastra di calore, si consiglia di regolare il supporto della pellicola abbassando la posizione in base alla direzione 1, come mostrato nella Figura 1B.
    3. Dopo aver fissato la pellicola polimerica, regolare la temperatura della piastra di calore per riscaldare la pellicola al di sopra della temperatura di transizione del vetro.
      NOTA: Ogni tipo di pellicola ha la propria temperatura di transizione in vetro. Pertanto, si consiglia di regolare la temperatura della piastra di calore alla propria temperatura di transizione del vetro dopo aver controllato le proprietà del materiale della pellicola nella scheda tecnica corrispondente.
  4. Dopo aver impostato l'hardware, mettere insieme il circuito di controllo come illustrato nella Figura 3B per controllare lo stage e l'intestazione dell'impatto.
    1. Preparare il PC, la scheda di controllo, l'alimentazione e OP-AMP per costruire l'ambiente di controllo, come illustrato nella Figura 3B. Collegare i dispositivi come illustrato nella Figura 2 e quindi collegare il computer alla scheda di controllo.
    2. Immettere i valori 3 Vcc e 10 Vcc in un OP-AMP rispettivamente attraverso i canali 1 e 2 dell'alimentatore, come descritto nel passaggio 2.3.9.
  5. Controllare lo stage e l'intestazione dell'impatto utilizzando il computer di controllo.
    1. Regolare la posizione iniziale dell'intestazione dell'impatto controllando le fasi X e z utilizzando il programma di controllo dello stage.
      NOTA: durante la regolazione della posizione iniziale dell'intestazione di impatto, assicurarsi che non vi sia alcuna collisione tra l'intestazione di impatto e la piastra termica. Se la posizione dello stadio z è troppo bassa, il trasloco si scontrerà con la piastra di calore, danneggiando sia il trasloco che la piastra di calore. Se c'è un danno a entrambi i dispositivi, ostacolerà la creazione di modelli fini su un materiale polimerico.
    2. Utilizzando il programma operativo, generare un segnale di controllo 5 V dal dispositivo di controllo. Secondo i passaggi 2.3.1–2.3.9, l'OP-AMP amplificherà il segnale di controllo 5 V a 10 V, accenderà l'intestazione dell'impatto e inciderà i modelli sulla pellicola polimerica.
    3. Ora generare un segnale di controllo 0 V dal dispositivo di controllo utilizzando il programma operativo. Secondo i passaggi 2.3.1–2.3.9, l'OP-AMP amplificherà il segnale di controllo 0 V a -3 V e spegnerà l'intestazione di impatto.
      NOTA: il mover dell'intestazione d'impatto verrà sollevato, in attesa di incidere il nuovo modello.
    4. Spostare lo stadio X in posizione per incidere il motivo successivo.
    5. Incidete i motivi 3x sulla pellicola polimerica ripetendo i passi 3.5.1–3.5.4 in sequenza.
    6. Abbassare la fase z di 10 m dalla posizione iniziale ed eseguire il passaggio 3.5.5, contando il numero di mosse della fase z. Quando il numero di movimenti dello stadio z supera i tre, spostare lo stadio X nella posizione iniziale e aumentare al massimo l'intestazione dell'impatto spostando lo stage.
      NOTA: la modifica dell'altezza dello stage a z garantirà regolazioni della profondità e della larghezza del motivo del punto.
  6. Staccare la pellicola polimerica dal supporto della pellicola e misurare la larghezza e la profondità di ogni modello utilizzando un microscopio confocale (vedere Tabella dei materiali), come illustrato nella Figura 4A.
    1. Prima di iniziare il processo di misurazione, selezionare il valore di ingrandimento del microscopio e utilizzare inizialmente la modalità di osservazione diretta per regolare la posizione di scansione della pellicola polimerica. Dopo aver regolato la posizione per mezzo di osservazione diretta, fissare la pellicola polimerica e cambiare la modalità di scansione alla modalità di scansione laser.
      NOTA: Quando si utilizza il microscopio confocale, si consiglia di utilizzare un pannello acrilico per fissare il campione, come illustrato nella Figura 4B.
    2. Utilizzando la modalità di scansione laser, misurare la profondità e la larghezza del modello di punto.
  7. Ripetere i passaggi da 3.3.2– 3.6.2 dopo aver modificato il tipo di pellicola.
    NOTA: Considerando la temperatura di transizione del vetro di ogni tipo di pellicola, impostare la temperatura della piastra di calore prima di posizionare ogni pellicola sulla piastra di calore. In questo studio, la temperatura di transizione del vetro della pellicola in PVC è di 100 gradi centigradi; per la pellicola PMMA è di 95 gradi centigradi, e per la pellicola PET è di 75 gradi centigradi.

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Results

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

Il processo di rilievo a caldo di tipo stampa di impatto è un processo che può essere utilizzato per racchiudere i modelli di punti su una pellicola polimerica in tempo reale, come illustrato nella Figura 1. Questo processo può risolvere i problemi del costo elevato e delle tempi lunghe per la sostituzione del modello associato al processo di goffratura a caldo esistente. È stato costruito un circuito di controllo, come illustrato nella Figura 2 (vedere i passag...

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Discussion

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

In questo studio, abbiamo implementato il processo di rilievo a caldo tipo di stampa e i modelli di punti incisi con varie larghezze e profondità su una gamma di pellicole polimeriche in tempo reale. Tra i passaggi del protocollo, due passaggi devono essere considerati criticamente tra tutti i passaggi. Il primo è l'impostazione della temperatura della piastra di calore (passaggio 3.3.3), e il secondo è l'impostazione della posizione iniziale dell'intestazione d'impatto (passaggio 3.5.1). Nel passaggio 3.3.3, se la tempe...

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Disclosures

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare

Acknowledgements

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

Questa ricerca è supportata dal progetto intitolato "Sviluppo della tecnologia di sbalzo a caldo tipo di stampa di impatto per uno strato conduttivo che utilizza materiali nanocompositi conduttivi" attraverso il Ministero del Commercio, dell'Industria e dell'Energia (MOTIE) della Corea (N046100024, 2016).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
rotolo di pellicola in PVC per imballaggio rigido trasparente di alta qualità da 0,3 mm per la formatura sottovuotoSunyoSY1023/ Spessore: 300 & micro; m
Pellicola acrilica (PMMA)SEJIN TSC200Pellicola PMMA / Spessore: 175µ m
Microscopio a scansione laser confocale: Topografia 3D per l'analisi e il collaudo dei materiali MicroscopioCarl ZeissLSM 700/ Modalità di supporto: 2D, 2.5D, topografia 3D
SCHEDA DAQNATIONAL INSTRUMENTSUSB-6211Scheda di controllo per due stadi e header a percussione / 16 ingressi, 16 bit, 250kS/s, Alimentatore CC I/O multifunzione
SMARTRDP-305AUAlimentazione a 3 canali / Tensione di uscita: 0~30V, Corrente di uscita: 0~5A
Stadio L511PIL511.20SD00Stadio Z / Gamma di corsa: Piastra
riscaldante digitale grandeDAIHAN ScientificHPLP-C-P/ Temperatura massima: 350º C
M531 stagePIM531.2S1X-stage / Gamma di corsa : 306mm
Mylar Polyester PET filmsCSHyde48-2F-36PET film / Spessore : 50µ m
OPA2541BURR-BROWNOPA2541BMOP-AMP / Correnti di uscita : 5A, tensione di uscita : ± 40V
di film in PVC confocale 3D da 52 mm

References

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