Summary
Nous présentons ici un protocole pour la fabrication de structures de capteur multicouches à jet d’encre sur les substrats additivement manufacturés et clinquant.
Abstract
Une méthode pour combiner de manière additive fabriqué des clichés ou des substrats et impression jet d’encre multicouches pour la fabrication de dispositifs de détection est présentée. Tout d’abord, trois substrats (acrylate d’éthyle, céramiques et cuivre) sont préparés. Pour déterminer les propriétés matérielles résultantes de ces substrats, profilomètre, angle de contact, microscope électronique à balayage (SEM) et ionique focalisé faisceau (FIB) mesures sont effectuées. La résolution d’impression accessible et le volume de la goutte adapté pour chaque substrat, puis, se trouvent à travers les épreuves de taille de chute. Puis, couches d’encre isolant et conducteur sont jet d’encre imprimée en alternance pour fabriquer les structures de capteur cible. Après chaque étape de l’impression, les couches respectives sont individuellement traités par polymérisation photoniques. Les paramètres utilisés pour le séchage de chaque couche sont adaptés selon l’encre imprimée, ainsi que sur les propriétés de surface du substrat respectif. Pour confirmer la conductivité qui en résultent et de déterminer la qualité de la surface imprimée, sonde de quatre points et profilomètre mesures sont effectuées. Enfin, une mise en place de mesures et les résultats obtenus par un tel système de capteur de tous les imprimés sont indiquées pour démontrer la qualité réalisable.
Introduction
Fabrication additive (AM) est normalisée comme un processus où les matériaux sont rejoints pour fabriquer des objets de données du modèle 3D. Cela se fait généralement de couche après couche et, ainsi, contraste avec les technologies de fabrication soustractive, comme la fabrication des semi-conducteurs. Les synonymes sont fabrication 3D-impression, additive, processus additif, additifs techniques, fabrication additive couche, la couche fabrication et fabrication en formes libres. Ces synonymes sont tirés de la normalisation de l' American Society of Testing and Materials (ASTM)1 de donner une définition unique. Dans la littérature, 3D-impression est dénommé le processus dont l’épaisseur des objets imprimés est de l’ordre de centimètres au même m2.
Processus plus communs tels que la stéréolithographie3, activez l’impression des polymères, mais l’impression 3D de métal est également déjà disponible dans le commerce. L’AM des métaux est employée dans des domaines multiples, comme pour l’automobile, l’aéronautique4et secteurs médicaux5 . Un avantage pour les structures aérospatiales est la possibilité d’imprimer des dispositifs plus légers grâce à simples changements structurels (par exemple, en utilisant un design en nid d’abeille). Par conséquent, de matières avec, par exemple, une plus grande résistance mécanique, qui seraient sinon ajouter une quantité significative de poids (par exemple, titane au lieu de l’aluminium)6, peuvent être employées.
Alors que l’impression 3D de polymères est déjà bien établie, métal 3D-impression est toujours un sujet de recherche dynamique et une variété de procédés ont été développés pour l’impression 3D des structures métalliques. Fondamentalement, les méthodes disponibles peuvent être regroupés en quatre groupes7,8, à savoir 1) en utilisant un laser ou un faisceau d’électrons pour bardage dans un processus alimenté par fil, 2) frittage des systèmes à l’aide d’un laser ou un faisceau d’électrons, fusion 3) de manière sélective à l’aide de poudre un faisceau laser ou électron (fusion lit de poudre) et 4) un liant nettoyage au jet de processus où, généralement, une tête d’impression jet d’encre se déplace au-dessus d’un substrat de poudre et prodigue des agent liant.
Selon le processus, les échantillons respectifs manufacturés exposera différentes propriétés de surface et structurales7. Ces propriétés différentes auront à prendre en considération de nouveaux efforts pour fonctionnaliser davantage les parties imprimées (par exemple, de fabriquer des capteurs sur leurs surfaces).
Contrairement à l’impression 3D, l’impression des processus pour atteindre telle une fonctionnalisation (e.g., écran et impression jet d’encre) couverture limité des hauteurs de l’objet de moins de 100 nm9 jusqu'à quelques micromètres et sont, donc, souvent aussi appelés 2,5 D-impression. alternativement, solutions laser pour la modélisation à haute résolution ont également été proposées10,11. Un examen approfondi des processus d’impression, température des nanoparticules de fonte le thermiquement dépendante, et les applications est donnée par Ko12.
Bien que la sérigraphie est bien établie dans la littérature13,14, impression jet d’encre offre une meilleure capacité d’upscaling, avec une résolution accrue pour l’impression de plus petites tailles de fonctionnalité. En outre, c’est une méthode d’impression numérique, sans contact permettant le dépôt flexible de matériaux fonctionnels sur trois dimensions. Par conséquent, notre travail est axé sur l’impression à jet d’encre.
Technologie d’impression jet d’encre a déjà été utilisée dans la fabrication d’électrodes de détection de métal (argent, or, platine, etc.). Domaines d’application incluent la température mesure15,16, pression et souche télédétection17,18,19et biodétection20,21, ainsi que gaz ou vapeur analyse22,23,24. Le durcissement de telles structures imprimées avec extension de hauteur limitée peut être fait en utilisant diverses techniques, basés thermique25, micro-ondes26, électrique27, laser28et photoniques29 principes.
Polymérisation photoniques pour les structures à jet d’encre permet aux chercheurs d’utiliser des encres de haute énergies, curables, conducteurs sur substrats avec une résistance de basse température. Exploitant cette circonstance, la combinaison de 2.5 processus D et 3D-impression peuvent être utilisés pour fabriquer des prototypes très flexibles dans le domaine de l’emballage intelligent30,31,32 et détection intelligente.
La conductivité des substrats métalliques imprimés 3D présente un intérêt pour le secteur de l’aérospatiale, ainsi que pour le secteur médical. N’améliore pas seulement la stabilité mécanique de certaines parties, il est bénéfique en champ proche ainsi que la détection capacitive. Un boîtier en métal imprimé 3D fournit supplémentaire blindage/gardiennage du capteur frontal puisqu’elle peut être connectée électriquement.
L’objectif est de fabriquer des dispositifs utilisant la technologie AM. Ces dispositifs devraient fournir une résolution suffisamment élevée dans la mesure qu’ils sont employés pour (souvent à la micro - ou nano) et, en même temps, ils devraient s’acquitter de normes élevées concernant la qualité et la fiabilité.
Il a été démontré que la technologie AM présente à l’utilisateur avec suffisamment de flexibilité pour fabriquer des conceptions optimisées33,34 , qui améliorent la qualité globale de mesure qui peut être atteints. En outre, la combinaison de polymères et d’impression jet d’encre simple couche a été présentée dans la précédente recherche35,36,37,38.
Dans ce travail, les études disponibles sont étendus, et un examen sur les propriétés physiques des substrats AM, avec un focus sur les métaux et leur compatibilité avec l’impression jet d’encre multicouche et durcissement photoniques est fourni. Complémentaire Figure 1donne une conception exemplaire bobine multicouche. Les résultats sont utilisés pour fournir des stratégies pour l’impression jet d’encre des structures multicouches capteur sur substrats métalliques AM.
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Protocol
Attention : Avant d’utiliser les encres réfléchies et colles, veuillez consulter le pertinentes feuilles (signalétique). L’encre de nanoparticules indépendants et adhésifs peuvent être toxiques ou cancérigènes, tributaire de la soutireuse. S’il vous plaît, utilise toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lors de l’impression jet d’encre ou la préparation des échantillons et n’oubliez pas de porter l’équipement de protection individuelle approprié (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées).
Remarque : Le protocole peut être suspendu après toute marche sauf mesures 6,3 à 6,6 et étapes 9,2 à 9,5.
1. préparation des substrats d’impression 3D
- Préparer les dessins de conception assistée par ordinateur (CAO), idéalement en utilisant le format de fichier .stl stéréolithographie.
Remarque : Les modèles utilisés sont illustrées complémentaires Figure 2 et 3 supplémentaires. - Choisir le processus AM basé sur les propriétés des matériaux requises par l’application cible (voir le tableau 1 pour les limites de processus respectifs).
Remarque : Dans ce travail, nous avons utilisé des échantillons de cuivre 3D-imprimé, ainsi que céramique 3D-imprimé. - Fabriquer le substrat de cuivre par impression 3D avec cire et39de moulage à la cire perdue.
- Fabriquer le substrat en céramique de céramique axés sur la lithographie (LCM) technologie40 de fabrication (voir vidéo 1).
- Fabriquer le substrat d’acrylate d’éthyle à l’aide d’un polymère à haute résolution 3D-imprimante37 et enlever la cire prise en charge de la partie imprimée.
- Mettre la partie imprimée à l’intérieur d’un four à 65 ° C pendant 1 h faire fondre la cire prise en charge.
- Après avoir enlevé la partie imprimée du four, mettez-la à l’intérieur d’un bain d’huile ultrasonique à 65 ° C pour enlever la cire de petites ouvertures, trous, etc.
- Nettoyer les substrats à l’aide d’un chiffon humidifié avec de l’acétone, comme impuretés de surface peut grandement affectent la qualité d’impression à jet d’encre plus tard.
Remarque : La préparation des substrats AM peut s’effectuer à l’aide de différents équipements et procédés. Selon la stratégie de fabrication, les propriétés de surface et en vrac peuvent varier aussi bien. Il est donc crucial de contrôler ces propriétés en utilisant les techniques d’inspection recommandés plus tard (voir, par exemple, la section 4 du présent protocole).
2. fabrication d’interconnexions
NOTE : La fabrication des interconnexions diffère selon le type (conducteur/conductrice) du substrat.
- Fabriquer des interconnexions sur des substrats non conductrice (céramiques).
- Dispenser l’adhésif conducteur durcissable basse température un temps-pression Microdoseur monté sur une station de microassemblage dans les vias appropriées des pièces imprimées.
- Laissez le mécano d’interconnexions à sécher pendant 10 min à 23 ° C et à pression ambiante.
Remarque : pour le substrat en céramique, les interconnexions peuvent également être fabriqués à l’aide de pâte à braser et haute température de polymérisation.
- Fabriquer des interconnexions sur substrats conducteurs.
- Distribuer l’encre isolant partout dans les vias (trous/trous dans le substrat) circonférence via un Microdoseur temps-pression.
- Effectuer le séchage photonique à l’aide de la lumière intense pulsée tel que suggéré par le fournisseur d’encre.
- Ouvrir le tiroir de l’équipement de séchage photonique qui contient la table de substrat.
- Déplacer l’échantillon de cuivre à la table du substrat de l’équipement de séchage photonique et fixer avec les fixations magnétiques fournies.
- Régler la hauteur du tableau de substrat de l’appareil vers le plan focal de l’équipement de traitement de l’échantillon.
- Fermer le tiroir et régler le profil de polymérisation tel que recommandé par le fournisseur du matériau pour le matériel imprimé dans l’interface du logiciel de l’appareil et appuyez sur le bouton démarrer.
- Remplir la via avec la basse température de polymérisation conductrice coller (Table des matières).
Remarque : en général, il est possible d’utiliser toutes les formes d’adhésifs conducteurs monocomposant, base d’époxy, qui sont activée de la température. - Relie le mécano sec pendant 10 min à 23 ° C.
3. préparation du système d’impression jet d’encre
- Nettoyer/purge les buses de la tête d’impression avec la purge définissant dans le logiciel de l’imprimante, à l’aide de la substance chimique approprié pour l’encre respectif : utiliser isopropanol pour isoler les encres ; Utilisez triéthylène glycol monométhyl éther de l’encre conductrice. Purger les injecteurs en appuyant sur le bouton de purge dans l’interface du logiciel de l’imprimante jusqu'à ce que la solution est éjectée les buses respectifs est claire.
Remarque : La quantité de produits chimique nécessaire dépend de l’imprimante, buse et chimique. Dans cette expérience, a été utilisé environ 2 mL. - Remplir les récipients d’encre avec environ 1,5 mL d’argent de nanoparticules d’encre avec 50 wt.% métal chargement et une granulométrie moyenne de 110 nm à l’aide d’une seringue, par exemple, avec un baril de 3 mL et un 18 G Luer lock aiguille de distribution.
- Utiliser une tête d’impression pour jet de l’encre en appuyant sur le bouton Démarrer la tête dans l’interface du logiciel de l’imprimante.
- Utiliser le profil jet pré-réglée de l’imprimante pour le nettoyage au jet de l’encre conductrice.
- Placer la tête d’impression sur la position de dropview à l’aide de l’option aller à la position de dropview dans l’interface du logiciel imprimante et observer le nettoyage au jet d’encre.
- Changer les paramètres du profil de tension qui est préinstallé pour la tête d’impression et de la température de la tête d’impression afin d’ajuster la vitesse de chute, forme et volume. Ajuster la pression de l’encre à ne pas tout renverser de l’encre et à réduire la formation de gouttelettes de satellite.
Remarque : Dans le système d’impression utilisé dans le présent protocole, la tension haute pression maximale opérationnelle était fixée à 40 V et un profil de jet de 1 µs de temps de montée/descente avec 14 10 µs tenir de temps a été utilisé. L’encre d’argent a été imprimés au jet à 45 ° C. La pression optimale d’encre dépend du niveau d’encre. La tension dans le profil de tension doit être augmenté ou réduit en fonction de l’état (par exemple, température, viscosité) de l’encre et la température actuelle de la tête, ainsi que l’état de la tête d’impression utilisée. Pour atteindre le jet approprié, nous vous recommandons de modifier la tension vers le haut par petites étapes de 1 V. S’il n’y a aucune amélioration dans la forme de goutte, réduire la tension par petits incréments de 1 V. suivre cette procédure jusqu'à l’obtention d’un dropping stable.
- Ajuster les paramètres d’impression pour l’isolant de l’encre de la même manière, comme pour l’encre argentée.
- Utilisez une autre tête d’impression pour jet le matériau diélectrique faible k, qui est un mélange de monomères acrylate d’éthyle-type.
Remarque : Encore une fois, une tension opérationnelle de jet de 40 V et un temps de montée/descente de 1 µs avec 8 µs tenez temps a été utilisé dans le présent protocole. L’encre diélectrique puisse être imprimés au jet à 50 ° C. La pression optimale d’encre dépend du niveau d’entrée manuscrite réelles. Généralement, les paramètres utilisés dépendent fortement les propriétés de l’encre, ainsi que le substrat ou la couche sur laquelle il doit être imprimé. Au cours du processus de fabrication, les paramètres d’impression devrez peut-être être ajustée dynamiquement. Veuillez vous référer au manuel d’utilisation du système d’impression sur la façon de régler correctement les paramètres de l’imprimante.
- Utilisez une autre tête d’impression pour jet le matériau diélectrique faible k, qui est un mélange de monomères acrylate d’éthyle-type.
4. inspection des propriétés superficielles des substrats respectifs d’imprimabilité et l’ajustement des paramètres de l’imprimante pour la première couche
- Effectuer des mesures de profilomètre pour déterminer la rugosité de surface.
- Mettre l’échantillon sur la table de substrat (scène) du profilomètre.
- Si ce n’est pas le cas, accueil hébergé, la scène en utilisant le bouton accueil dans l’interface du logiciel.
- Choisissez la résolution respective et la zone qui est mappé dans l’interface du logiciel.
- Placez la tête de mesure à la position de départ et commencer la mesure à l’aide de l’option jog et bouton de démarrage dans l’interface du logiciel.
- Après la mesure est terminée, vérifiez le résultat par souci de cohérence (par exemple, sont les hauteurs indiquées plausible pour le nombre de feuilles imprimées) et enregistrer les données.
- SEM des inspections conformément au manuel de l’utilisateur d’analyser la qualité de surface.
- Effectuer des mesures de l’angle de contact tel que décrit dans le manuel d’utilisation de la station de SEM pour déterminer les propriétés de mouillabilité.
- Difficulté du substrat sur la table de substrat à l’aide de ruban adhésif et marquer sa position de façon appropriée.
- Régler la buse et les paramètres d’impression dans les paramètres de l’interface du logiciel en modifiant les propriétés de la tête d’impression dans l’interface du logiciel de l’imprimante.
- Encore une fois, placer la tête d’impression sur la position de dropview à l’aide de l’option aller à la position de dropview dans l’interface du logiciel de l’imprimante et observer le nettoyage au jet d’encre. Si nécessaire, ajustez les paramètres d’impression afin d’optimiser le nettoyage au jet.
- Choisissez une tuyère qui éjecte bien définis et homogènes des gouttes d’encre pour l’impression.
- Entrez le numéro de la buse choisie dans les préférences de l’imprimante.
- Effectuer les essais de taille de goutte pour déterminer la taille d’one drop imprimée sur le substrat respectif.
- Imprimez un motif de goutte, en utilisant une configuration de l’imprimante connus.
- Déterminer la taille des gouttes réalisé à l’aide d’un microscope calibré ou le système de caméra intégré de l’imprimante.
- S’assurer que la résolution d’impression par la suite utilisée est appropriée pour l’humidification de l’encre observées fabriquer une surface homogène et fermée (par exemple, choisissez une résolution d’impression de 900-1 000 dpi pour une taille de goutte de 40 à 50 µm).
- Effectuer une analyse de la FIB (Table des matières), selon les instructions du fabricant, pour assurer une homogénéité de masse suffisante pour substrats conducteurs.
5. réglages de paramètre pour la première couche de polymérisation
- Imprimer plusieurs structures, à l’aide d’une couche de l’encre utilisée pour la première couche de l’appareil, sur un substrat factice (c.-à-d., un échantillon du même matériau qui peut plus tard être éliminé et est utilisé pour l’essai seulement).
- Utiliser le durcissement thermique dans un four à 130 ° C pendant au moins 30 minutes à la pression ambiante pour les modèles d’argent conductrices imprimées sur un substrat en céramique.
Remarque : Selon la taille de l’échantillon, utiliser une cosse pour contenir l’échantillon dans le four. - Utiliser le durcissement photoniques pour l’isolant de l’encre sur le substrat métallique.
- Ouvrir le tiroir de l’équipement de séchage photonique qui contient la table de substrat.
- Passer l’échantillon à la table du substrat de l’équipement de séchage photonique et fixez-le en conséquence (par exemple, prévu en utilisant, appareils magnétiques).
- Régler la hauteur du tableau de substrat de l’équipement, à l’aide de l’axe de la table vers le plan focal de l’équipement de traitement de l’échantillon.
- Fermer le tiroir et régler le profil de polymérisation tel que recommandé par le fournisseur pour le matériel imprimé dans l’interface du logiciel de l’appareil et appuyez sur le bouton démarrer.
- Contrôle de l’homogénéité de la surface du point de vue qualitatif à l’aide d’un microscope et quantitativement à l’aide d’un profilomètre.
- Mettre l’échantillon sur la table de substrat (scène) du profilomètre.
- Si ce n’est pas le cas, accueil hébergé, la scène à l’aide de la touche correspondante dans le logiciel.
- Choisissez la résolution respective et la zone qui doit être mappé.
- Placez la tête de mesure à la position de départ et commencer la mesure.
- Après que la mesure est terminée, vérifiez le résultat par souci de cohérence et enregistrer les données.
- Répétez photoniques ou procédures de durcissement thermiques à l’aide d’adopté durcissement paramètres si nécessaire.
- Augmenter l’énergie photonique utilisée par petites étapes de, par exemple, 5 V dans l’interface du logiciel de l’appareil de polymérisation photonique si la résistance obtenue est trop élevée. Diminuer l’énergie utilisée si l’échantillon montre des signes de brûlure.
- Ajuster les paramètres de l’appareil pour le durcissement de la première couche périphérique fonctionnel permettant une conductivité suffisante pour l’application à portée de main est atteinte, mais encore aucune combustion de la structure imprimée se produit.
6. impression jet d’encre et le durcissement de la première couche de l’appareil
- Difficulté du substrat sur la table de substrat à l’aide de ruban adhésif et marquer sa position de façon appropriée.
- Comme la première couche est conductrice, pour le substrat de type céramique et d’acrylate d’éthyle, utiliser chauffage table substrat de 60 ° C.
Remarque : La température ne doit pas dépasser une température qui pourrait altérer le substrat respectif (par exemple, l’acrylate d’éthyle tolère seulement jusqu'à 65 ° C). Cet ajustement peut être fait dans les paramètres de l’imprimante. - Régler la buse et les paramètres d’impression dans les paramètres de l’interface du logiciel.
- Déplacer la tête d’impression à la dropview position et observer le nettoyage au jet d’encre.
- Choisissez une tuyère qui éjecte bien définis et homogènes des gouttes d’encre pour l’impression.
- Entrez le numéro de la buse choisie dans les préférences de l’imprimante.
- Ajuster la résolution utilisée de la tête d’impression à déposer une couche homogène d’encre selon les propriétés du substrat préalablement déterminé : pour les substrats de la basse-mouillabilité, par exemple, un grand angle de contact et une petite goutte taille augmentent l’impression résolution. Diminuer la résolution pour les substrats de la haute-mouillabilité.
Remarque : Le réglage des paramètres d’impression peut être fait dans les paramètres de l’imprimante. - Sélectionnez le point de référence approprié pour imprimer le motif et stocker ses coordonnées.
- Charger le fichier de respectifs scalable vector graphic (.svg) et sélectionnez une résolution appropriée et la taille, dépendent le motif désiré et les dimensions du substrat dans le logiciel de l’imprimante.
- Exécuter l’impression. Répétez l’impression d’une couche d’encre jusqu'à ce que l’homogénéité de l’impression est satisfaisante.
- Contrôle de l’homogénéité de la couche imprimée à l’aide d’un microscope calibré ou en utilisant le système de caméra intégré de l’imprimante.
- Déplacer la caméra de l’imprimante à la position d’impression et d’observer la qualité de l’impression donnée dans l’interface du logiciel de l’imprimante.
- Guérir la première couche en utilisant les paramètres déterminés à l’article 5 du présent protocole.
- Encre d’argent sur un support en polymère (acrylate d’éthyle, feuille), utilisez un 1 impulsion ms 250 V avec une quantité réduite d’énergie (525 mJ/cm2).
- Pour encre argentée sur un substrat en céramique, utiliser la chaleur de polymérisation dans le four comme l’a recommandé à l’encre (p. ex., 130 ° C pendant 30 min).
- Guérir l’encre imprimée diélectrique à 200 V avec 1 ms impulsions et répéter les impulsions 8 x à une fréquence de 1 Hz.
Remarque : Les spectres de la lumière émise, utilisé dans la guérison de la photonique est assez large (ultra-violet – proche infrarouge [UV-NIR]). Pourtant, la quantité de lumière UV est suffisante pour initier la photopolymérisation et guérir la couche isolante.
7. inspection des propriétés superficielles des substrats respectifs pour l’imprimabilité et l’ajustement des paramètres de l’imprimante pour les couches suivantes
Remarque : Veuillez consulter les manuels d’utilisation de l’équipement de mesure pour effectuer les mesures de profilomètre et des inspections de la microscopie.
- Effectuer des mesures de profilomètre pour déterminer la rugosité et l’épaisseur de la couche imprimée.
- Mettre l’échantillon sur la table du substrat de la profilomètre.
- Si ce n’est pas le cas, accueil hébergé, la scène à l’aide de la touche correspondante dans le logiciel.
- Choisissez la résolution respective et la zone qui doit être mappé.
- Placez la tête de mesure à la position de départ et commencer la mesure.
- Après que la mesure est terminée, vérifiez le résultat par souci de cohérence et enregistrer les données.
- Effectuer des mesures d’angle de contact pour déterminer les propriétés de mouillabilité.
Remarque : Reportez-vous au manuel d’utilisation de l’équipement de mesure à portée de main sur la façon d’effectuer correctement des mesures de l’angle de contact. - Effectuer des essais de taille de goutte pour déterminer la taille d’one drop imprimée sur le substrat respectif.
- Imprimez un motif de goutte à l’aide d’une configuration de l’imprimante connus.
- Déterminer la taille des gouttes réalisé à l’aide d’un microscope calibré ou le système d’inspection intégré de l’imprimante.
- Ajuster la résolution utilisée de la tête d’impression pour obtenir une couche homogène de l’encre : pour les substrats de la basse-mouillabilité, par exemple, un grand angle de contact et une petite goutte taille augmentent la résolution d’impression. Diminuer la résolution pour les substrats de la haute-mouillabilité.
- Contrôler les propriétés électriques de la première couche : pour une première couche conductrice, utiliser la sonde de quatre points pour déterminer la conductivité obtenue.
- Mettre l’échantillon sur la table de substrat.
- Abaisser la tête de mesure sur la piste conductrice, en s’assurant que la sonde a bon contact avec la structure imprimée, pour être analysés.
- Pour une première couche d’isolation, assurez-vous que la surface homogène couvre le conducteur ci-dessous. Utiliser un microscope pour confirmer. Vérifiez les propriétés isolantes à l’aide d’un multimètre.
8. réglages de paramètre pour les couches suivantes de polymérisation
- Imprimer plusieurs structures, à l’aide d’une couche de l’encre utilisée pour la couche suivante de l’appareil, sur un substrat factice avec une couche équivalente précédente.
- Utiliser seulement photoniques de durcissement pour tous les substrats.
- Après durcissement, contrôler les propriétés électriques et structurelles de la couche imprimée : pour déterminer si la conductivité est suffisante, utilisez une mesure de la sonde de quatre points.
- Contrôle de l’homogénéité de la surface qualitativement en utilisant un microscope et quantitativement le profilomètre.
- Si nécessaire, répétez les procédures de polymérisation photoniques.
- Ajuster les paramètres de l’appareil pour le durcissement de la couche périphérique fonctionnel ultérieur.
9. impression jet d’encre et le durcissement des couches de dispositifs ultérieurs
- Fixer le support sur le tableau de substrat convenablement à l’emplacement préalablement marqué.
- Ajustez les paramètres buse et l’impression, tel que déterminé à l’étape précédente.
- Sélectionnez le point de référence approprié pour imprimer le motif et s’assurer que les motifs imprimés sont bien alignées entre elles afin de garantir le bon fonctionnement de l’appareil par la suite.
- Chargez le fichier .svg respectifs avec une résolution appropriée et la taille.
- Exécuter l’impression. Répétez l’impression d’une couche d’encre jusqu'à ce que l’homogénéité de l’impression est satisfaisante.
- Contrôler l’homogénéité de la couche imprimée sous un microscope (ici, le système de caméra intégré de l’imprimante est utilisé).
- Utilisation photonique guérir uniquement pour le durcissement de cette couche. Utilisez les paramètres déterminés au préalable d’une couche isolante ou une couche conductrice sur l’isolant.
- Après durcissement, contrôler les propriétés électriques et structurelles de la couche imprimée : pour déterminer si la plage de conductivité de la couche conductrice est acceptable, utilisez un multimètre.
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Representative Results
Partir des images de SEM illustrés à la Figure 1, on peut tirer des conclusions sur l’imprimabilité sur les substrats respectifs. Les barreaux de l’échelle sont différentes en raison des différentes gammes de la rugosité de surface. Dans la Figure 1 a, la surface du substrat cuivre apparaît, qui est de loin la plus lisse. Figure 1 c, en revanche, montre en acier, un substrat qui n’est pas utilisable pour l’impression jet d’encre en raison de la porosité élevée et l’angle de contact instable (voir également le tableau 2). L' Figure 1 b, une image de SEM du substrat bronze est diffusée, et illustrée en Figure 1 d, la surface d’échantillon de titane.
Figure 2 et Figure 3, les résultats des mesures profilomètre sont donnés. Ces évaluations sont nécessaires pour déterminer la rugosité de la surface des substrats respectifs. Les substrats métalliques avec une rugosité bien au-dessus de ~ 1 µm (aluminium, titane et acier) ne sont pas utilisables pour l’impression jet d’encre, car l’encre a tendance à être absorbé en raison de la porosité élevée et, par conséquent, inhibe la fabrication de couches homogènes et reproductible ouvrages d’art. Le substrat en céramique à base d’alumine a une rugosité comparable, mais en raison du processus de fabrication différentes, ne présente pas ces porosités de surface élevées et peut, ainsi, être utilisé.
Laisser tomber des tests de taille, comme illustrées qualitativement dans la Figure 4 et recueillie quantitativement dans le tableau 3, donner la taille des gouttes réalisable et, par conséquent, également les propriétés de mouillabilité pour la combinaison respectif de substrat et de l’encre. Substrats où aucune gouttes distinctes ne sont forment soit ont trop peu de mouillabilité (Ceci vaut pour les métaux AM avec une faible rugosité de surface), ou ils sont trop poreux (Ceci vaut pour les métaux AM avec une rugosité de surface élevée [par exemple, la Figure 4 d]). Dans la Figure 4 a, le résultat d’impression sur bronze est illustré. Figure 4 b montre en cuivre, c de la Figure 4 montre des céramiques, et d de la Figure 4 illustre le résultat de l’échantillon en acier.
Dans la Figure 5, les images microscopiques des résultats après le durcissement d’une couche conductrice de 1 mm de largeur sur isolant d’encre sont donnés. Basé sur ces images, l’intégrité des tirages peut être évaluée. Pour l’encre conductrice sur cuivre (Figure 5 b), le meilleur résultat peut être obtenu ; la piste conductrice sur aluminium (Figure 5 a) est complètement détruite ; les pistes conductrices imprimés sur les substrats en céramique (Figure 5 c, d) sont intacts, mais voir la délamination. La délamination est due à l’absorption de chaleur faible et haute réflexion des substrats. Réduire la dose de polymérisation sur ces substrats donne des pistes conductrices qui améliorent les propriétés électriques et structurelles.
Pour déterminer les profils de la hauteur et la qualité de surface des structures multicouches imprimées, profils de hauteur, qui sont les résultats des mesures profilomètre, sont rassemblés, comme indiqué dans la Figure 6 et Figure 7, en utilisant le profilomètre. De ces profils en altitude, l’homogénéité de surface des pistes conductrices (la douceur des courbes bleus) peut être déterminée. En outre, les surfaces qui ont perdu leur intégrité structurale (aluminium, titane) peuvent être identifiés par les forts gradients dans leurs profils de hauteur.
Les analyses FIB avec cuivre (Figure 8 a), bronze (Figure 8 b), le titane (Figure 8C) et cuivres (Figure 8 d) sont présentés pour illustrer une homogénéité suffisante de vrac de substrats métalliques AM. Les barreaux de l’échelle sont différentes ici afin de mieux capturer les caractéristiques structurales des tirages multicouches (carences en homogénéité, piste conductrice, etc.). Cela garantit une conductivité électrique suffisante des substrats afin que ceux-ci peuvent être utilisés pour le blindage dans des applications de télédétection magnétiques et capacitifs. Résulats de la résistance de la feuille obtenue à l’aide d’une sonde de quatre points sont regroupés dans le tableau 4. En outre, une évaluation qualitative des couches imprimées est possible. Les structures granulaires sont formés par des nanoparticules durcis et la couche ci-dessous est l’encre isolante. Dans, par exemple, Figure 8 b, nous voyons nonhomogeneities (trous, inclusions d’air) dans les couches de papier. Ceux-ci résultent de dégazage pendant le durcissement. Le dégazage peut se produire lorsque la dose de remède pour l’encre conductrice sur isolant d’encre est trop élevée. Cet effet influe négativement sur l’intégrité des structures imprimées et excessive dégazage mène à la destruction.
Dans la Figure 9, les résultats des mesures sont indiquées. Ces résultats sont recueillies à l’aide d’un appareil de démonstration qui utilise un principe de détection capacitif. La douceur des courbes illustre la grande qualité réalisable malgré les insuffisances structurelles qui pourraient en résulter les procédés d’impression.
Figure 1 : images de SEM des substrats métalliques. Ces images show (un) cuivre, (b) bronze, l’acier (c) et (d) titane. Elles sont prises à différents grossissements, comme en témoigne la barre d’échelle dans le coin inférieur droit de chaque image. Basé sur ces images, l’homogénéité de surface peut être évaluée. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : mesures de profilomètre de substrats AM métalliques et céramiques. La rugosité des valeurs Run et Rq en nanomètres sont déterminés selon ISO 4287. Pour l’argent, les valeurs sont 689.39 nm et 788.06 nm, respectivement ; pour l’aluminium, ils sont 2151.19 nm et 2750.38 nm, respectivement ; à base d’alumine (Al2O3) substrats, ils sont 1210.47 nm et 1737.6 nm, respectivement ; pour les substrats (ZrO2) axée sur la zircone, ils sont 559.97 nm et 681.56 nm. L’ondulation est la texture plus espacée de la surface du substrat. L’ondulation est la restant texture en homogénéité avec le composant de rugosité supprimé. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : mesures profilomètre de substrats métalliques. Le Run et valeursq R pour les substrats respectifs sont, pour le laiton, 414.2 nm et 494.49 nm, respectivement ; pour le titane, 1099.86 nm et 1448.06 nm, respectivement ; pour le cuivre, 307.63 nm et 358.92 nm, respectivement ; pour l’acier, 1966.95 nm et 2238.78 nm, respectivement. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Drop des tests de taille pour les substrats métalliques et céramiques. Ces images montrent (un) médaille de bronze, cuivre (b), (c), ZrO2 et (d) en acier. Des gouttes distinctes mesurées ici sont marqués (si possible) par des flèches dans l’image respective. Les tailles de gouttes déterminés sont rassemblés dans le tableau 3. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : des images microscopiques d’encre conductrice imprimée sur un isolant et d’un substrat métallique AM après durcissement photoniques. Les substrats sont (a) en aluminium, cuivre (b), (c), Al2O3et (d), ZrO2. La largeur de la structure conductrice dans chaque image est w = 1 mm. L’intégrité de la structure conductrice sur l’aluminium est complètement détruite, alors que les structures sur cuivre et Al2O3 restent intacts. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : profils de hauteur pour les pistes conductrices sur l’isolant pour les substrats métalliques, déterminé en utilisant le profilomètre. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : profils de hauteur pour les pistes conductrices sur des substrats métalliques et céramiques, déterminés en utilisant le profilomètre. Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : images FIB d’encre conductrice sur les substrats métalliques et isolateur. Ces images montrent (un) cuivre, le bronze (b), (c) titane et laiton (d). Ce chiffre a été modifié par Faller et al. 41. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : terrain de la mesure résulte d’un dispositif de démonstrateur fabriqué suivant la méthodologie suggérée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| détails minimales / mm |
précision minimale / % featuresize |
processus de | |
| Silver | 0.25 | 5,00 | cire perdue de cire 3D-impression & perdue |
| Titane | 0,1 | 0,2 | direct de frittage laser metal |
| En acier | 0,35 | 2 à 3 | liaison chimique & frittage @ 1300 ° C |
| Bronze | 0,35 | 5,00 | cire perdue de cire 3D-impression & perdue |
| En laiton | 0,35 | 5,00 | cire perdue de cire 3D-impression & perdue |
| En aluminium | 0.25 | 0,2 | direct de frittage laser metal |
| Cuivre | 0,35 | 5,00 | cire perdue de cire 3D-impression & perdue |
| Al2O3 | 0,025 à 0,1 | 0,04 | LCM-technologie |
| ZrO2 | 0,025 à 0,1 | 0,04 | LCM-technologie |
Tableau 1 : limites et des tolérances 3D-impression procédés. Ce tableau a été modifié par Faller et al. 41.
| titane | en acier | bronze | en laiton | cuivre | |
| unc / ° | 85,9 | 71.15 | 100,3 | 100.03 | 88.54 |
| Σune | 7.27 | 17,64 | 3.17 | 2.25 | 6.84 |
Tableau 2 : les angles de contact se sont réunis une c et leur écart-type σ un en degrés. Ce tableau a été modifié par Faller et al. 41.
| titane | bronze | en laiton | cuivre | Al2O3 | ZrO2 | |
| dropsize / µm | 23,97 | 31.3 | 36.04 | 29.03 | 69 | 69,3 |
Tableau 3 : goutte recueillie diamètres d d en micromètres. Ce tableau a été modifié par Faller et al. 41.
| r□ dans mΩ/□ | Commentaires | |
| Titane | 3000 | |
| En acier | 600 | |
| Bronze | 2000 | |
| En laiton | 300 | |
| En aluminium | 30000 | |
| Cuivre | 180 | |
| Al2O3 | 150.00 | différentes énergies utilisées pour la polymérisation photoniques : 527 mJ/cm² |
| ZrO2 | 20 h 00 | pistes conductrices ablation |
Tableau 4 : Recueillies feuille résistances r□ dans mΩ/□. Résistances de feuille sont dénotés en utilisant un indice de la place (□) signifiant ohms par carré. Ce terme se réfère généralement à 2D-structures et, par conséquent, implique aussi que la circulation du courant est le long du plan de la feuille. La résistance de la feuille peut être multipliée par l’épaisseur du film pour donner la résistivité en vrac. Ce tableau a été modifié par Faller et al. 41.
Vidéo 1 : processus de LCM. Ce processus est utilisé pour fabriquer les substrats en céramique (images gracieuseté de Lithoz). S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)
Supplémentaire Figure 1 : exemple d’une conception multicouche bobine. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce chiffre.
Complémentaire Figure 2 : Exemple de dessins de conception assistée par ordinateur (CAO), utilisé pour l’impression-3D des structures multicouches bobine. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce chiffre.
Supplémentaire Figure 3 : Exemple de dessins de conception assistée par ordinateur (CAO), utilisé pour l’impression 3D d’électrodes multiples capteurs capacitifs. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce chiffre.
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Discussion
Une façon de fabriquer des structures multicouches capteur sur supports imprimés 3D et sur une feuille est démontrée. AM métal, ainsi que des substrats céramique et l’acrylate de type et de la feuille ne semblent pas convenir à multicouche à jet d’encre d’imprimerie, comme l’adhérence entre le substrat et les différentes couches est suffisante, ainsi que la capacité respective de conductivité ou isolation. Cela pourrait être démontré par des couches d’impression de structures conductrices sur isolant. En outre, l’impression et le processus pour toutes les couches de polymérisation a été effectué avec succès sans nuire à l’autre.
Les stratégies de fabrication présentées dans cet ouvrage sont très sensibles à l’interaction entre les différents matériaux et propriétés de surface. Par conséquent, la reproductibilité des mesures effectuées dépend du procédé de fabrication respectifs. Pour la préparation des matériaux usagés AM, il faut considérer que les propriétés de surface et en vrac peuvent varier considérablement selon la méthode de fabrication (Figure 1 et tableau 2). Pour l’impression jet d’encre, les paramètres proposés doivent être ajustés avec soin le système d’impression utilisé, ainsi que les encres respectifs42,43,44. La jettability des différentes encres de nanoparticules Ag peut varier considérablement, selon la formulation. Cela signifie que les solvants de l’encre et certains additifs déterminent sa viscosité spécifique, la tension superficielle et point d’ébullition.
Un autre point à considérer est l’agglomération de teneur en matières solide lorsque l’encre ages ou n’est pas stockée correctement, qui peut fausser la qualité jet. En outre, la configuration spécifique de la tête d’impression lui-même est également cruciale, notamment les dimensions de l’ouverture de la buse. Il détermine les paramètres réels de jet, telles que la tension de jet, forme d’onde et température de consigne, ainsi que la taille des gouttes qui en résulte (Figure 4 et tableau 3). Pendant le processus d’impression lui-même, une table de substrat chauffé peut également augmenter la température de la tête d’impression en raison de la proximité spatiale, ce qui entraîne une dégradation de changement et possible du comportement d’impression. Il est donc crucial de surveiller la température de la tête d’impression pendant le traitement.
Un autre facteur pouvant influencer le comportement du jet lors de l’impression est la pression de l’encre qu’il pourrait avoir à être diminué comme le baisse de niveau d’encre au cours du traitement. La fabrication de l’interconnexions sur un substrat conducteur est non trivial, comme la couche isolante dosée doit avoir une épaisseur suffisante pour éviter des courts-circuits, mais il faut toujours laisser un espace suffisant pour former les interconnexions à l’aide de soudure conductrice pâte.
En outre, l’adhérence entre les trois matières doit être acceptable pour former vias stable. Pendant le processus de durcissement, la tolérance à la température de la couche isolante doit être pris en considération. Par conséquent, pâte à braser séchage basse température a été employé pour les interconnexions respectifs. Après avoir imprimé les couches fonctionnelles, dont ils ont besoin être guéri pour obtenir la résistance souhaitée (tableau 4). Frittage thermique est une méthode appropriée et efficace pour les patrons de l’argent si le substrat ou la couche sous-jacente a une température suffisamment haute tolérance45. Ce n’est pas le cas pour les couches isolantes, c’est pourquoi curing photoniques employées (Figure 5). Pendant le processus de durcissement photonique, une grande quantité d’énergie est transférée à l’échantillon. Il est donc crucial de s’assurer que les motifs imprimés sont suffisamment secs avant le durcissement comme, dans le cas contraire, les solvants restants pourraient atteindre leur point d’ébullition et peuvent détruire les couches imprimés en raison de la dilatation du liquide et la formation de bulles (Figure 8).
Par ailleurs, le séchage suffisant est nécessaire pour créer des couches d’épaisseur homogène (Figure 6 et Figure 7). Une épaisseur homogène est nécessaire pour les applications où les mesures de nanomètre basées sur, par exemple, un principe capacitif est utilisé (Figure 9). Ici, une distance uniforme de l’électrode de détection peut affecter significativement la qualité46.
Dans l’ensemble, on peut affirmer que le choix des paramètres optimaux de polymérisation photoniques pour les couches de périphérique sur un isolant est un facteur crucial : si l’énergie introduite n’est pas suffisant, l’encre conductrice reste non fritté et la résistance de la feuille est trop élevée pour le dispositifs pour pouvoir être actionnées électriquement ; en introduisant le trop d’énergie, chaleur excessive se produiront dans le film et, en conséquence, la piste conductrice est détruite. Le substrat de cuivre a donné les meilleurs résultats en termes de résistance de la feuille (voir tableau 4) et aussi dans la qualité de surface obtenue et l’intégrité de la piste métallique imprimée. Cela pourrait être dû à sa rugosité de surface étant le plus faible parmi tous les substrats réfléchies. La réflectivité de substrat pourrait être identifiée comme influençant le résultat durcissement photonique significativement. La réflectivité de substrat respectif doit être considérée dans le durcissement afin d’atteindre un résultat optimisé en ce qui concerne le spectre de polymérisation photonique appliqué et le profil. Cela doit être adapté à différents substrats et combinaisons d’encre.
Dans ce travail, l’adéquation des substrats AM et feuilles pour l’impression jet d’encre a été démontrée. En outre, les propriétés du matériau ainsi que les facteurs essentiels pour le processus ont été déterminées. Une stratégie pour fabriquer des prototypes capteur travail sur grille et substrats de métal et de polymère AM a été présentée. Enfin, la qualité des mesures réalisables fondée sur des mesures faits avec un démonstrateur système a été montrée. Cette approche constitue une contribution importante à la fonctionnalisation électrique future des surfaces, clôtures et autres structures qui ont eu un but exclusivement mécanique dans la conception de très nombreux appareils jusqu'à présent.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la comète K1 ASSIC autrichien Smart Systems Integration Research Center. Les centres de la comète-compétence d’excellentes Technologies-programme est pris en charge par BMVIT, BMWFW et les provinces de Carinthie et de Styrie.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PiXDRO LP 50 | Meyer Burger AG | Inkjet-Printer with dual-head assembly. | |
| SM-128 Spectra S-class | Fujifilm Dimatix | Printheads with nozzle diameter of 50 µm, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution. | |
| DMC-11610/DMC-11601 | Fujifilm Dimatix | Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 µm, 1 or 10 pL calibrated dropsize | |
| Sycris I50DM-119 | PV Nanocell | Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether. | |
| Solsys EMD6200 | SunChemical | Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps. | |
| Dycotec DM-IN-7002-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003C-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7004-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m | |
| Pulseforge 1200 | Novacentrix | Photonic curing/sintering equipment. | |
| DektatkXT | Bruker | Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 µm diameter and constant force of 4 mg. | |
| C4S | Cascade Microtech | Four-point-probe measurement head. | |
| 2000 | Keithley | Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe. | |
| Helios NanoLab600i | FEI | Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling. | |
| SeeSystem | Advex Instruments | Water contact angle measurement device. | |
| Projet 3500 HDMax | 3D Systems | Professional high-resolution polymer 3D-printer. See also (accessed Sep. 2018): https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf | |
| Polytec PU 1000 | Polytec PT | Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available | |
| Microdispenser | Musashi | Needle for microdispensing. | |
| Micro-assembly station | Finetech | Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts. |
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