Hybride d’impression pour la Fabrication de capteurs intelligents
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.
Protocol
Representative Results
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 iso…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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