Modelowanie w wysokiej rozdzielczości przy użyciu dwóch trybów strumienia elektrohydrodynamicznego: kropli na żądanie i elektroprzędzenia w bliskim polu

Elektrohydrodynamiczny druk strumieniowy to bezkontaktowa, bezpośrednia metoda modelowania, która może być stosowana w różnych dziedzinach, takich jak elektronika drukowana, zaawansowane materiały, biotechnologia i tak dalej. Metoda elektrohydrodynamicznego druku strumieniowego wykorzystuje silne pole elektryczne do ściągania naładowanego atramentu na podłoże. W tym celu stosuje się układ fluidyczny do wpychania atramentu do dyszy, a do wytwarzania pola elektrycznego wykorzystuje się zasilacz wysokiego napięcia.

Główną zaletą tej techniki jest to, że można jej używać do drukowania bardzo małych kropek lub wzorów, w porównaniu z konwencjonalną metodą druku atramentowego. W oparciu o konfiguracje elektryczne i płynowe można zaimplementować trzy różne tryby drukowania na żądanie, elektroprzędzenia i elektronatryskiwania. W przypadku precyzyjnego modelowania skupimy się na DOD i elektropsynacji bliskiego pola.

DOD wykorzystuje zarówno napięcie stałe, jak i napięcie impulsowe do natryskiwania, podczas gdy elektroprzędzenie w bliskim polu wykorzystuje tylko napięcie stałe do natryskiwania. Osoby wiedziały, że ta metoda będzie miała trudności z osiągnięciem prawidłowego natryskiwania, ponieważ wymaga bardziej określonych rzeczy i różnych metod drukowania pióra, takich jak napięcie, dysza, prędkość drukowania i odległość wstawania. Odważny student Mr.Oh zademonstruje zarówno upuszczanie na żądanie, jak i elektroprzędzenie w bliskim polu przy użyciu atramentu z nanocząstek srebra, aby pomóc osobom zrozumieć procesory drukujące.

W przypadku drukowania typu drop-on-demand należy najpierw napełnić zbiornik atramentu elektrohydrodynamicznej drukarki strumieniowej przefiltrowanym atramentem z nanocząstek srebra. Następnie przygotuj dyszę ze szklanej pipety, zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Zamontuj uchwyt dyszy, podłączając dyszę do zbiornika atramentu za pomocą rurki teflonowej.

Następnie włącz regulator ciśnienia powietrza i zastosuj ciśnienie powietrza od 15 do 20 kilopaskala w zbiorniku atramentu. Monitoruj przepływ atramentu przez szklaną dyszę i rurkę, aby upewnić się, że żadne powietrze nie jest uwięzione podczas dostarczania atramentu. Kontynuuj wywieranie ciśnienia powietrza do zbiornika, aż atrament pojawi się na końcówce dyszy.

Nie zmniejszaj ciśnienia, zanim atrament pojawi się na końcówce dyszy, ponieważ może to spowodować uwięzienie pęcherzyków powietrza na końcówce. Gdy atrament pojawi się na końcówce dyszy, zmniejsz ciśnienie do około 12 kilopaskalów. Pozwoli to utrzymać wytłaczany menisk bez kapania atramentu z końcówki dyszy.

Następnie zamocuj zmontowaną głowicę dyszy w systemie drukowania. Używając kamery bocznej do wizualizacji szczeliny między końcówką dyszy a podłożem, przesuń oś Z stolika, aby dostosować szczelinę do około 100 mikrometrów. Mniejsza szczelina prowadzi do większego pola elektrycznego, co może ułatwić drukowanie przy niższym napięciu i napięciach impulsowych do natryskiwania.

Jednak mniejsza szczelina może również prowadzić do większych spadków, jeśli napięcie nie zostanie odpowiednio wyregulowane. W tym momencie monitoruj atrament na dyszy, zaczynając stosować napięcia stałe i impulsowe. Stopniowo zwiększaj napięcie DC w krokach mniejszych niż 100 woltów na raz.

Gdy atrament zacznie kapać z dyszy, zmniejsz nieznacznie napięcie DC, aż atrament przestanie kapać z dyszy. Następnie ustaw ujemne napięcie impulsu o czasie narastania równym od zera do 100 mikrosekund, czasowi przebywania równym 300 mikrosekundom i czasowi opadania równym zero mikrosekund. Następnie przyłóż ujemne napięcie impulsu do uchwytu podłoża.

Teraz dostosuj wielkość napięcia impulsu, aby wytworzyć jedną kroplę na pojedynczy impuls. Następnie dostosuj tło DC i napięcia impulsowe, aby uzyskać docelową wielkość kropli na podłożu, obserwując natryskiwane kropki na podłożu na obrazie z kamery bocznej. Najpierw załaduj obraz bitmapowy na kartę drukowania w oprogramowaniu do drukowania i przekonwertuj go na obraz binarny.

Następnie należy ustawić parametry drukowania obrazu binarnego. Na przykład ustaw odległość między dwiema kroplami lub interwał upuszczania na dziesięć mikrometrów. Po skonfigurowaniu rozpocznij drukowanie przy użyciu wybranej mapy bitowej w docelowym miejscu podłoża.

Aby przygotować się do drukowania wektorowego, załaduj informacje CAD wzoru do oprogramowania do drukowania. Następnie ustaw parametry drukowania, takie jak szybkość drukowania i odstępy między punktami. Po ustawieniu parametrów rozpocznij drukowanie.

Aby wykonać elektroprzędzenie w bliskim polu, najpierw przygotuj specjalnie opracowany atrament z nanopastą srebra. Aby to osiągnąć, wymieszaj trzy części etanolu i jedną część wody dejonizowanej, aby uzyskać 12 mililitrów rozpuszczalnika. Następnie wymieszaj 0,3 grama tlenku polietylenu i 9,7 grama przygotowanego rozpuszczalnika, aby uzyskać 3% wagowo roztwór polimeru.

Za pomocą mieszadła magnetycznego dokładnie mieszaj roztwór przez ponad sześć godzin, mieszając w temperaturze pokojowej. Po przygotowaniu rozpuszczalnika wymieszaj pięć części tuszu z nanopasty srebra z jedną częścią przygotowanego roztworu polimeru. Połącz je za pomocą miksera wirowego, mieszając przez dziesięć minut, aby prawidłowo zawiesić atrament.

Następnie wlej przygotowany tusz do strzykawki i podłącz strzykawkę do dyszy za pomocą teflonowej rurki łączącej. Dostarczyć atrament do dyszy, ręcznie popychając strzykawkę. Gdy atrament dotrze do dyszy, zainstaluj strzykawkę w pompie strzykawkowej podłączonej do systemu drukowania.

Uruchomić pompę strzykawkową, aby wygenerować przepływ atramentu o początkowym natężeniu przepływu 50 mikrolitrów na minutę. Gdy atrament wypłynie z końcówki dyszy, zmniejsz natężenie przepływu do jednego mikrolitra na minutę. Następnie należy przyłożyć źródło napięcia DC do złącza dyszy, podczas gdy napięcie uziemienia jest podłączone do uchwytu podłoża.

Stopniowo zwiększaj napięcie DC do 1.5 kilowolta. Napięcie prądu stałego można zwiększyć do dwóch kilowoltów. Należy jednak unikać napięcia stałego wyższego niż dwa kilowolty, ponieważ może to spowodować uszkodzenie atramentu.

Po skonfigurowaniu rozpocznij drukowanie w stanie bezczynności z prędkością drukowania 300 milimetrów na sekundę przez co najmniej 10 minut, aby uzyskać przepływ w stanie ustalonym. Jest to konieczne, ponieważ lepki atrament może zostać ściśnięty w długich rurkach. Dostosuj parametry drukowania, takie jak napięcie DC i natężenie przepływu podczas drukowania w trybie bezczynności, aby uzyskać pożądane wyniki drukowania.

Na koniec wydrukuj wybrany wzór na podłożu, korzystając z teraz zdefiniowanych parametrów drukowania. Drukowanie punktowe na żądanie i drukowanie rastrowe wykorzystuje jedną oś do drukowania punktów w kierunku głównym, a następnie przechodzenia do następnego pasa w kierunku podrzędnym. Ten obraz rastrowy ma rozmiar kropli około czterech mikronów.

Z kolei drukowanie punktowe na żądanie w trybie wektorowym wykonuje jednoczesne ruchy w kierunkach X i Y i służy do drukowania linii. Wynikowy obraz ma szerokość linii wynoszącą cztery mikrony. Elektroprzędzenie w bliskim polu wykorzystuje atrament o wysokiej lepkości do ciągłego drukowania wzorów.

W rezultacie ta metoda nadaje się do drukowania linii prostych przy użyciu dużej prędkości drukowania i jest wrażliwa na zmiany prędkości drukowania. W projekcie należy uwzględnić powolne obszary, które można odrzucić, aby zapewnić stały rozmiar linii w żądanym obszarze. W niektórych przypadkach niska prędkość natryskiwania może być wykorzystana do wygenerowania wzoru fali przy użyciu niskiej prędkości drukowania mniejszej niż 100 milimetrów na sekundę.

Wzory mogą stać się faliste, jak pokazano tutaj. Ten rodzaj falistego wzoru może być przydatny w rozciągliwych zastosowaniach elektronicznych. Po jej opracowaniu technika ta utorowała naukowcom drogę do tworzenia drobnych wzorów do konkretnych zastosowań.

Należy pamiętać, że ta metoda drukowania nie ogranicza się tylko do atramentu z nanocząsteczkami srebra, ale może być również używana w innych zastosowaniach z różnymi atramentami. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o użyciu odpowiedniego atramentu do drukowania. Zapoznaj się z ogólnymi wskazówkami dotyczącymi wyboru atramentu znajdującymi się w tekście tego artykułu.

Pamiętaj, aby dostosować parametry drukowania do wybranego atramentu i zastosowań. Nie zapominaj, że praca z chemikaliami, wysokim napięciem i wysokim ciśnieniem może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności.