November 30th, 2021
Ten artykuł przedstawia technikę produkcji superkondensatorów opartych na chipach za pomocą drukarki atramentowej. Szczegółowo opisano metodologie syntezy atramentów, dostosowywania parametrów oprogramowania i analizy wyników elektrochemicznych wyprodukowanego superkondensatora.
Protokół ten pokonuje istniejący superkondensator o stałym rozmiarze i zapewnia metodę wytwarzania superkondensatora o dowolnym kształcie poprzez precyzyjne drukowanie atramentowe. Dzięki temu protokołowi można zabezpieczyć efektywność zasobów ludzkich i materialnych. Ponadto zapewnienie użytkownikom metody sterowania oprogramowaniem dla drukarek atramentowych może pomóc w produkcji bardziej precyzyjnych superkondensatorów.
Technologia ta zapewnia sposób obsługi drukarek atramentowych, dlatego protokół ten może być wykorzystywany nie tylko do produkcji superkondensatorów, ale także do produkcji innych urządzeń. Przed zaprojektowaniem wzoru elektrochemicznych kondensatorów dwuwarstwowych lub EDLC zacznij od uruchomienia programu CAD. Przejdź do przycisku Plik w górnej części okna programu i kliknij przyciski Nowy i Projekt, aby utworzyć nowy plik projektu.
Aby wygenerować plik tablicy, kliknij kolejno przyciski Plik, Nowy i Tablica. W lewym górnym rogu okna utworzonego pliku tablicy kliknij przycisk siatki w kształcie siatki, aby ustawić wartości siatki Rozmiar, Wiele i Alt. Zmień rozmiar siatki i wartość Alt z milimetrów na cal, aby drukarka atramentowa mogła odczytać wzór CAD PCB Naciśnij najdrobniejszy, aby dokonać drobnych korekt.
Po ustawieniu parametrów zaprojektuj wzór kolektora prądu i linii EDLC w formie intercyfrowej. Zaprojektuj żelowo-polimerowy elektrolit lub GPE, wzór i podkładki odbieraka prądu w formie prostokątnej. W przypadku trzech typów wzorów końcowych, takich jak linia przewodząca, EDLC i GPE, ustaw trzy warstwy, klikając kolejno Ustawienia widoku i warstwy.
Utwórz nowe warstwy, naciskając przycisk Nowa warstwa w lewym dolnym rogu okna widocznych warstw. W nowym oknie Nowa warstwa skonfiguruj nazwę i kolor nowej warstwy. Aby wizualnie odróżnić warstwy, ustaw nazwy trzech warstw na bieżący kolektor, EDLC i GPE, a następnie zmień odpowiednie kolory, klikając pole po prawej stronie opcji Kolor.
Naciśnij Linia w lewym dolnym rogu ekranu. Aby zmienić grubość linii, wprowadź wartość szerokości znajdującej się w górnej środkowej części w skali calowej. Następnie kliknij główne pole i przeciągnij, aby narysować linię.
Aby edytować długość linii, kliknij prawym przyciskiem myszy linię i kliknij właściwości na dole. W polach Od i Do wprowadź wartości X i Y punktu początkowego i końcowego. Jako punkt odniesienia wzoru ustaw lewy górny róg na 0, 0.
Narysuj pozostałą część wzoru na podstawie informacji udostępnionych wcześniej. Aby ustawić narysowany wzór na żądaną warstwę, kliknij prawym przyciskiem myszy wzór i kliknij Właściwości. Następnie kliknij Warstwa i wybierz żądaną warstwę.
Narysuj prostokątne wzory padu kolektora prądu w GPE, naciskając RECT w lewym dolnym rogu okna głównego. Kliknij i przeciągnij na ekranie, na którym znajduje się wcześniej narysowany wzór. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy prostokątną powierzchnię i kliknij Właściwości na dole.
Wprowadź wartości X i Y w lewym górnym i prawym dolnym rogu prostokąta odpowiednio w polach Od i Do. Ustaw prostokąt na żądaną warstwę, jak wspomniano wcześniej. Przed konwersją pliku CAD zaprojektowanego wzoru do formatu pliku Gerber, należy zapisać plik płytki w formacie brd klikając na plik i Zapisz.
Po zapisaniu pliku kliknij zakładkę Plik w górnej części okna i kliknij Procesor CAM. Aby utworzyć plik Gerber z żądanej warstwy, zmodyfikuj elementy znajdujące się na karcie Gerber plików wyjściowych, usuwając listy podrzędne, takie jak górna miedź i dolna miedź, naciskając znak minus. Naciśnij plus i kliknij Nowe wyjście Gerber, aby utworzyć wyjście Gerber.
Po prawej stronie ekranu ustaw nazwę warstwy w Nazwa i funkcja na Miedź, naciskając koło zębate po prawej stronie. Następnie ustaw Typ warstwy na Góra i ustaw numer warstwy Gerber bieżącego kolektora, EDLC i GPE na L1, L2 i L3 w kolejności. W oknie Warstwy na dole pliku Gerber kliknij przycisk Edytuj warstwy w lewym dolnym rogu, aby wybrać każdą żądaną warstwę.
Aby ustawić nazwę pliku wyjściowego, który ma zostać utworzony, ustaw nazwę pliku Gerber Output w dolnej części okna na prefix/name.gbr. Na koniec kliknij Zapisz zadanie w lewym górnym rogu okna, aby zapisać ustawienia. Kliknij na Process Job w prawym dolnym rogu, aby utworzyć plik Gerber.
Aby ustawić parametry oprogramowania drukarki atramentowej, uruchom program drukarki, a następnie kliknij przycisk Drukuj, wybierz Prosty i wybierz Elastyczny atrament przewodzący. Prześlij plik Gerber z zaprojektowanym wzorcem, klikając przycisk Wybierz plik. Wybierz i otwórz plik Gerber linii przewodzącej.
Kliknij przycisk Dalej, jak wskazuje żółte pole. Następnie zamocuj płytkę PCB i zamontuj sondę. Po zakończeniu dostosuj punkt zerowy drukarki PCB za pomocą sondy, klikając przycisk Kontur
.Przesuń obraz wzoru na ekranie, przeciągając i klikając przycisk Kontur. Sprawdź, czy sonda porusza się po żądanej ścieżce. Następnie naciśnij kartę Dalej.
Kliknij sondę, aby zmierzyć wysokość podłoża i sprawdzić, czy podłoże jest płaskie. Po zakończeniu pomiaru wysokości wyjmij sondę i włóż pojemnik z tuszem do dozownika atramentu i podłącz dyszę o średnicy wewnętrznej 230 mikrometrów, aby przygotować dozownik. Po zamontowaniu dozowników atramentu dla linii przewodzącej, EDLC i GPE, wydrukuj przykładowy wzór, naciskając przycisk Kalibruj podczas regulacji parametrów każdego atramentu.
Sprawdź wzrokowo wynik drukowania i zapisz wartości parametrów dla każdego atramentu. Usuń próbkę wzoru drukowania za pomocą chusteczki czyszczącej zwilżonej etanolem przed naciśnięciem przycisku Start, aby wydrukować zaprojektowany wzór linii przewodzącej. Po wydrukowaniu odwróć płytkę i utwardź linię przewodzącą w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez 30 minut, a następnie zmierz łączną masę podłoża i linii przewodzącej.
Na ekranie startowym drukarki wybierz opcję Wyrównany, załaduj plik wzoru linii EDLC i kliknij przycisk Dalej. Upewnij się, że położenie linii przewodzącej jest wykrywane przez dwa punkty wyrównania, aby wyrównać pozycje wzoru linii EDLC i linii przewodzącej. Następnie przejdź do losowego punktu i sprawdź, czy lokalizacja jest poprawna.
Zmierz całkowitą wysokość linii przewodzącej, aby sprawdzić wysokość dyszy dozownika nad linią przewodzącą, klikając przycisk Sonda. Zmiana wartości parametrów oprogramowania farb EDLC. Po zakończeniu wydrukuj przykładowy wzór, aby sprawdzić, czy wartości parametrów oprogramowania są odpowiednie.
Później usuń przykładowy wzór drukowania za pomocą chusteczki czyszczącej zwilżonej etanolem, aby wydrukować linię EDLC, naciskając przycisk Start. Wykonaj pomiary elektrochemiczne dla urządzenia superkondensatora drukowanego w drukarce atramentowej. Kliknij Zastosuj do Ch i uruchom plik sekwencji cyklicznego testu woltamperometrycznego, aby uzyskać wynik.
Kliknij Zastosuj do Ch i uruchom plik sekwencji testu ładowania/rozładowania galwanostatycznego, aby uzyskać wynik. Kliknij Zastosuj do Ch i uruchom plik sekwencji testu elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, aby uzyskać wynik. Właściwości strukturalne tuszu przewodzącego i tuszu EDLC analizowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.
Przewodzący atrament był dobrze wyśrodkowany, aby tworzyć ciągłe ścieżki przewodzące. Wszystkie składniki tuszu zostały dobrze zdyspergowane, bez widocznych elementów, które mogłyby spowodować zapchanie podczas drukowania. Opisano właściwości reologiczne tuszu EDLC i zaobserwowano, że lepkość tuszu wzrastała wraz z czasem ścinania, co wskazuje na zachowanie pogrubienia przy ścinaniu bez żadnego rozciągania strukturalnego, rozciągania lub przegrupowania wywołanego naprężeniami.
W badaniu udało się uzyskać wydrukowany superkondensator. Jakość druku jest uważana za dobrą. Jeśli wydrukowany wzór ma mniej wad lub nie ma ich wcale, przy minimalnej chropowatości powierzchni i jednolitej grubości.
Wyniki drukowania z prędkością posuwu co najmniej 100 milimetrów na minutę wykazały jednolite linie bez widocznych rozłączeń. Całkowity czas drukowania uległ skróceniu, gdy prędkość posuwu wynosiła maksymalnie 600 milimetrów na minutę. W porównaniu z wynikami wydrukowanymi z prędkością posuwu 500 milimetrów na minutę, linie utworzone z prędkością 600 milimetrów na minutę zostały odcięte lub popękane, ponieważ dozownik poruszał się szybko.
Prędkość posuwu wynosząca 300 mililitrów na minutę była optymalna dla prawidłowego czasu drukowania i zapobiegania powstawaniu pęknięć. Wyniki drukowania zostały sprawdzone pod kątem odpowiednich zmian w kopnięciu. Wszystkie linie były rozłączane, gdy kopnięcie było zbyt niskie.
Jednak wysokie ciśnienie przy dużym kopnięciu stworzyło wąskie gardło, co spowodowało zatkanie dyszy. Przy odpowiedniej wartości kopnięcia żyłka nie pękła, a dysza nie zatkała się. Bardziej precyzyjne drukowanie jest możliwe dzięki kontroli parametrów oprogramowania, co pozwala wielu badaczom na wykorzystanie druku atramentowego w optymalnych warunkach w różnych dziedzinach.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Ten protokół przedstawia metodę produkcji superkondensatorów o wolnej formie za pomocą technologii druku atramentowego. Szczegółowo opisuje metody sterowania oprogramowaniem dla drukarek, poprawiając precyzję produkcji superkondensatorów.
This protocol enables precise, software-controlled inkjet printing for fabricating free-form supercapacitors, addressing the need for scalable, customizable energy storage solutions in wearable electronics, IoT, and electric vehicles. By optimizing printer parameters, it improves manufacturing efficiency and reduces material waste, supporting rapid prototyping in early-stage R&D. The method enhances predictive confidence in device performance through reproducible, defect-minimized fabrication, aligning with discovery-stage de-risking goals.
The method integrates into the discovery continuum from early material screening through prototype validation, supporting iterative design-test cycles in energy storage component development.