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Engineering

Híbrido de impressão para a fabricação de sensores inteligentes

Published: January 31, 2019 doi: 10.3791/58677
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 3, 1
1Institute for Intelligent Systems Technologies, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, 2Carinthian Tech Research AG, 3Department for Nanostructured Materials, Jozef Stefan Institute

Summary

Aqui nós apresentamos um protocolo para a fabricação de estruturas de sensor multicamadas de impressão a jato de tinta em substratos aditivamente manufacturados e folha.

Abstract

Um método de combinar aditivamente fabricado substratos ou folhas e impressão inkjet multicamadas para a fabricação de dispositivos do sensor é apresentada. Primeiro, preparam-se três substratos (acrilato, cerâmica e cobre). Para determinar as propriedades de material resultantes destes substratos, perfilômetro, ângulo de contato, microscópio eletrônico de varredura (SEM) e íon focalizado (FIB) de feixe medições são feitas. A resolução de impressão realizável e soltar adequado volume para cada substrato, em seguida, encontram-se através dos testes de tamanho de gota. Em seguida, camadas de tinta isolante e condutor são jato de tinta imprimido alternadamente para fabricar as estruturas de sensor de alvo. Após cada etapa da impressão, as respectivas camadas individualmente são tratadas pela cura fotônico. Os parâmetros utilizados para a cura de cada camada são adaptados dependendo da tinta impressa, bem como sobre as propriedades da superfície do substrato respectivo. Para confirmar a condutividade resultante e para determinar a qualidade da superfície impressa, sonda de quatro pontos e perfilômetro medições são feitas. Finalmente, uma armação de medição e resultados obtidos por um sistema tão impresso todo sensor são mostrados para demonstrar a qualidade alcançável.

Introduction

Fabricação de aditiva (AM) é padronizada como um processo onde os materiais são juntou-se tornar objetos de dados do modelo 3D. Isto é feito geralmente camada sobre camada e, assim, contrasta com tecnologias de fabricação subtrativa, como fabricação de semicondutores. Sinônimos incluem fabricação 3D-impressão, aditiva aditivo processo, técnicas de aditivas, fabricação de camada aditivo, fabricação de camada e fabricação freeform. Esses sinônimos são reproduzidos de padronização pelo sociedade americana de testes e materiais (ASTM)1 para fornecer uma definição única. Na literatura, a impressão 3D é referido como o processo onde a espessura dos objetos impressas está na faixa de centímetros até metros2.

Processos mais comuns, como a estereolitografia3, permitem a impressão de polímeros, mas também a impressão 3D de metal já está comercialmente disponível. O AM de metais é empregado em múltiplas áreas, tais como para o automotivo, aeroespacial,4e médica5 sectores. Uma vantagem para estruturas aeroespaciais é a possibilidade de imprimir mais leves dispositivos através de simples mudanças estruturais (por exemplo, usando um design de favo de mel). Consequentemente, materiais com, por exemplo, maior resistência mecânica, que caso contrário gostaria de acrescentar uma quantidade significativa de peso (por exemplo, titânio ao invés de alumínio)6, podem ser empregadas.

Enquanto a 3D-impressão de polímeros já está bem estabelecida, 3D-impressão do metal ainda é um tópico de pesquisa vibrante, e uma variedade de processos foram desenvolvidos para a impressão de 3D de estruturas metálicas. Basicamente, os métodos disponíveis podem ser combinados em quatro grupos de7,8, ou seja 1) usando um laser ou feixe de elétrons para revestimento em um processo de fio-alimentado, 2) sinterização sistemas usando um laser ou feixe de elétrons, derretendo 3) seletivamente usando pó um feixe de laser ou elétron (fusão de cama de pó) e 4) um fichário jorrando processo onde, comumente, uma cabeça de impressão jato de tinta se move sobre um substrato de pó e dispensa aglomerante.

Dependendo do processo, as respectivas amostras manufacturadas irão expor diferentes propriedades de superfície e estrutural7. Essas diferentes propriedades terá que ser considerada em mais esforços para funcionalizar ainda mais as peças impressas (por exemplo, pela fabricação de sensores em suas superfícies).

Em contraste com o 3D-impressão, impressão processos para alcançar tal um functionalization (EG., tela e impressão inkjet) tampa somente limitado alturas objeto de menos de 100 nm9 até alguns micrômetros e são, assim, muitas vezes também conhecido como 2.5 D-impressão. Alternativamente, soluções baseadas em laser para a padronização de alta resolução foram também propostos10,11. Uma revisão abrangente dos processos de impressão, derretem o termicamente dependentes da temperatura de nanopartículas, e as aplicações é dada por Ko12.

Embora a serigrafia está bem estabelecida na literatura13,14, impressão inkjet fornece uma melhor capacidade de upscaling, juntamente com uma maior resolução para a impressão de tamanhos menores do recurso. Além disso, é um método de impressão digital, sem contacto, permitindo a deposição flexível de materiais funcionais na tridimensional. Por conseguinte, nosso trabalho é focado em impressão jato de tinta.

Tecnologia de impressão jato de tinta já foi empregada na fabricação de eletrodos de detecção de metal (prata, ouro, platina, etc.). Áreas de aplicação incluem a medição de temperatura15,16, pressão e tensão sensoriamento17,18,19e biosensing20,21, bem como gás ou vapor análise de23,22,24. A cura de tais estruturas impressas com extensão de altura limitada pode ser feito utilizando várias técnicas, com base em térmica25microondas26, elétrica27, laser,28e fotônico29 princípios.

Fotônico cura para estruturas de impressão a jato de tinta permite aos pesquisadores usar tintas de alta energia, curáveis, condutoras em substratos com uma resistência de baixa temperatura. Nesta circunstância, a combinação de 2.5 a explorar processos D e 3D-impressão podem ser empregados para fabricar protótipos altamente flexíveis na área de embalagem inteligente30,31,32 e detecção inteligente.

A condutividade de substratos metálicos 3D-impresso é de interesse para o setor aeroespacial, bem como para o setor médico. Não só melhora a estabilidade mecânica de certas partes, mas é benéfico em campo próximo, bem como sensoriamento capacitivo. Uma caixa de metal 3D-impresso fornece adicional blindagem/proteção do sensor front-end já que ele pode ser conectado eletricamente.

O objetivo é fabricar dispositivos usando tecnologia de AM. Estes dispositivos devem fornecer uma resolução suficientemente alta (muitas vezes em micro - ou nanoescala) são utilizados para a medição e, ao mesmo tempo, eles devem cumprir elevados padrões em matéria de qualidade e confiabilidade.

Ficou demonstrado que a tecnologia AM apresenta ao usuário com flexibilidade suficiente para fabricar projetos otimizados33,34 , que melhoram a qualidade de medição global que pode ser alcançada. Além disso, a combinação de polímeros e impressão inkjet de camada única tem sido apresentada em pesquisa anterior35,36,37,38.

Neste trabalho, os estudos disponíveis são estendidos, e uma revisão sobre as propriedades físicas dos substratos de AM, com foco em metais e a sua compatibilidade com impressão inkjet multicamadas e cura fotônico é fornecida. Um projeto exemplar bobina multilayer é fornecido em complementar a Figura 1. Os resultados são utilizados para fornecer estratégias para a impressão jato de tinta de estruturas multicamadas sensor em substratos metálicos AM.

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Protocol

Atenção: Antes de utilizar o considerado tintas e adesivos, por favor consulte o relevante Material segurança dados folhas (MSDS). A tinta de nanopartículas independentes e adesivos podem ser tóxicas ou cancerígenas, dependente do enchimento. Por favor, usar todas as práticas de segurança adequadas ao executar impressão jato de tinta ou a preparação de amostras e certifique-se de usar equipamento de protecção adequado (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados).

Nota: O protocolo pode ser pausado após qualquer etapa exceto etapas 6,3-6,6 e passos 9.2-9.5.

1. preparação de substratos de impressão 3D

  1. Prepare desenhos de desenho assistido por computador (CAD), idealmente usando o formato de arquivo. STL estereolitografia.
    Nota: Os desenhos usados são ilustrados em complementar a Figura 2 e complementar a Figura 3.
  2. Escolher o processo de AM com base nas propriedades do materiais exigidas pelo aplicativo de destino (consulte a tabela 1 para as limitações do processo respectivo).
    Nota: Neste trabalho, usamos amostras feitas de cobre 3D-impresso, bem como cerâmicas 3D-impresso.
  3. Fabrica o substrato de cobre pela 3D-impressão com cera e cera perdida, fundição39.
  4. Fabricar o substrato cerâmico por cerâmica baseada em litografia, fabricação de tecnologia (LCM)40 (ver vídeo 1).
  5. Fabricar o substrato de acrilato usando uma impressora 3D de polímero de alta resolução37 e remover a cera de apoio da parte impressa.
    1. Colocar a parte impressa dentro de um forno a 65 ° C, durante 1 h derreter a cera de apoio.
    2. Depois de retirar a parte impressa do forno, colocá-lo dentro de um banho de óleo ultra-sônica a 65 ° C para remover a cera de buracos, pequenas aberturas, etc.
  6. Limpe os substratos usando um trapo molhado com acetona, como as impurezas de superfície possíveis afectam grandemente a qualidade de impressão jato de tinta mais tarde.
    Nota: A preparação de substratos de AM pode ser feita utilizando diferentes equipamentos e processos. Dependendo da estratégia de fabricação, as propriedades de superfície e do volume podem variar também. É, portanto, crucial controlar essas propriedades usando as técnicas de inspeção recomendadas mais tarde (ver, por exemplo, secção 4 deste protocolo).

2. fabricação de interconexões

Nota: A fabricação de interconexões difere dependendo do tipo (condutor/não condutora) de substrato.

  1. Fabricar interconexões em substratos não condutora (cerâmica).
    1. Dispense o adesivo condutivo curável de baixa temperatura com uma microdispenser de tempo-pressão montada em uma estação de áreas para as vias adequadas das peças impressas.
    2. Deixe o fabricados interconexões para secar por 10 min a 23 ° C e com pressão ambiente.
      Nota: para o substrato cerâmico, as interconexões também podem ser fabricados usando a pasta de solda e alta temperatura de cura.
  2. Fabricar interconexões em substratos condutoras.
    1. Dispense a tinta isolante em todo as vias (buracos/buracos no substrato) circunferência através de um microdispenser de pressão de tempo.
    2. Realize a cura fotônico usando luz intensa pulsada, como sugerido pelo fornecedor de tinta.
      1. Abra a bandeja do equipamento cura fotônico que contém a tabela de substrato.
      2. Mover a amostra cobre para a tabela de substrato do equipamento cura fotônico e fixe-a com as luminárias magnéticas fornecidas.
      3. Ajuste a altura da tabela de substrato do equipamento para mover a amostra para o plano de foco do equipamento de cura.
      4. Feche a bandeja e ajustar o perfil de curando, como recomendado pelo fornecedor do material para o material impresso na interface do software do equipamento e pressione o botão Iniciar.
    3. Preencher o via com baixa temperatura cura condutora colar (Tabela de materiais).
      Nota: em geral, é possível utilizar todas as formas de um-componente, à base de epóxi adesivos condutivos que são temperatura ativada.
    4. Interconectam o fabricados seco por 10 min a 23 ° C.

3. preparação do sistema de impressão jato de tinta

  1. Limpar/purge os bocais da cabeça de impressão com o expurgo de configuração no software da impressora, usando o produto químico apropriado para a respectiva tinta: usar isopropanol para isolamento de tintas; Use o trietileno glicol mono-metil éter para a tinta condutiva. Limpe os bocais pressionando o botão de purga na interface do software da impressora até a solução expelida os respectivos bocais é clara.
    Nota: A quantidade de produto químico necessário depende da impressora, bocal e química. Neste experimento, utilizou-se a cerca de 2 mL.
  2. Encha os recipientes de tinta, com cerca de 1,5 mL de nanopartículas de prata da tinta com 50 wt.% carregamento de metal e um tamanho de partícula médio de 110 nm utilizando uma seringa, por exemplo, com um cano de 3 mL e um conector Luer-lock 18g dispensa a agulha.
  3. Use uma cabeça de impressão a jato de tinta pressionando o botão Iniciar cabeça na interface do software da impressora.
  4. Use o perfil jorrando pré-ajustados da impressora para a jorrar da tinta condutiva.
    1. Mover a cabeça de impressão para a posição de dropview usando a opção de ir para a posição dropview na interface do software de impressora e observar a jorrar da tinta.
    2. Altere os parâmetros do perfil da tensão que é pré-instalado para a cabeça de impressão e a temperatura da cabeça de impressão, a fim de ajustar a velocidade de queda, forma e volume. Ajuste a pressão da tinta para evitar qualquer derramamento da tinta e reduzir a formação de gotículas de satélite.
      Nota: Para o sistema de impressão utilizado no presente protocolo, a tensão jorrando máxima operacional foi definido como 40 V e um perfil jorrando de 1 µs tempo de subida/descida com 10-14 µs segurar tempo foi usado. A tinta prata foi jorrada a 45 ° C. A pressão da tinta ideal é dependente do nível de tinta. A tensão no perfil de tensão deve ser aumentada ou reduzida, dependendo do estado (por exemplo, temperatura, viscosidade) de tinta e a temperatura atual da cabeça, bem como o estado da cabeça de impressão usado. Para conseguir jorrando adequado, recomendamos alterar a voltagem para cima em pequenos passos de 1 V. Se não houver melhora em forma de gota, reduza a tensão em pequenos passos de 1 V. siga este procedimento até que uma queda estável seja alcançada.
  5. Ajuste os parâmetros de impressão para o isolamento de tinta da mesma forma como feito para a tinta prata.
    1. Use outra cabeça de impressão para o material dielétrico baixo-k, que é uma mistura de monômeros de acrilato-tipo de jato.
      Nota: Novamente, uma tensão operacional jorrando de 40 V e um tempo de subida/descida de 1 µs com 8 µs segurar tempo foi usado no presente protocolo. A tinta dielétrica pode ser jorrada a 50 ° C. A pressão da tinta ideal é dependente do nível de tinta real. Geralmente, os parâmetros usados altamente dependem as propriedades da tinta, bem como do substrato ou camada em que deve ser impresso. Durante o processo de fabricação, os parâmetros de impressão podem ter que ser ajustada dinamicamente. Por favor, consulte o manual do usuário do sistema de impressão sobre como ajustar corretamente parâmetros da impressora.

4. inspeção de propriedades de superfície dos respectivos substratos para qualidade de impressão e o ajuste dos parâmetros de impressora para a primeira camada

  1. Realize medições perfilômetro para determinar a rugosidade da superfície.
    1. Coloca a amostra na tabela de substrato (estágio) do perfilômetro.
    2. Se não hospedadas, principal palco usando o botão home na interface do software.
    3. Escolha a área que é mapeada na interface do software e respectiva resolução.
    4. Coloque a cabeça de medição na posição de partida e iniciar a medição utilizando a opção jog e botão na interface do software.
    5. Após a medição estiver concluída, verifique o resultado para consistência (por exemplo, são as alturas mostradas plausível para o número de camadas impressas) e salvar os dados.
  2. Realize inspecções SEM acordo com o manual do utilizador para analisar a qualidade da superfície.
  3. Realizar medições de ângulo de contato, conforme descrito no manual do usuário da estação SEM para determinar as propriedades de molhabilidade.
  4. Corrigir o substrato sobre a mesa de substrato usando fita adesiva e marcar a sua posição adequadamente.
  5. Ajuste o bocal e parâmetros de impressão nas configurações da interface do software, editando as propriedades da cabeça de impressão na interface do software da impressora.
    1. Novamente, mova a cabeça de impressão para a posição de dropview usando a opção de ir para a posição dropview na interface do software da impressora e observar a jorrar da tinta. Se necessário, ajuste os parâmetros de impressão para otimizar a jorrar.
    2. Escolha um bocal que ejeta bem definidas e homogêneas gotas de tinta para impressão.
    3. Digite o número do bocal escolhido nas preferências da impressora.
  6. Realize os testes de tamanho de gota para determinar o tamanho de uma gota impressa no respectivo substrato.
    1. Imprima um padrão de soltar, usando uma configuração de impressora conhecida.
    2. Determine o tamanho da gota alcançada usando um microscópio calibrado ou o sistema de câmera inbuilt da impressora.
    3. Certifique-se de que a resolução de impressão posteriormente utilizada é apropriada para a umectação de tinta observados fabricar uma superfície homogênea e fechada (por exemplo, escolher uma resolução de impressão de 900-1.000 dpi para um tamanho de gota de 40-50 µm).
  7. Realizar uma análise FIB (Tabela de materiais), conforme as instruções do fabricante, para garantir uma homogeneidade em massa suficiente para carcaças condutoras.

5. ajustes de parâmetro para a primeira camada de cura

  1. Imprima várias estruturas, usando uma camada da tinta utilizada para a primeira camada de dispositivo, sobre um substrato fictício (ou seja, uma amostra do mesmo material que mais tarde pode ser descartado e é usado para fins apenas de teste).
  2. Use a cura termal em um forno a 130 ° C, durante pelo menos 30 min, à pressão ambiente para os padrões de prata condutoras impressos sobre um substrato de cerâmico.
    Nota: Dependendo do tamanho da amostra, use uma cápsula para manter a amostra no interior do forno.
  3. Use o fotônico de cura para a isolamento tinta sobre o substrato metálico.
    1. Abra a bandeja do equipamento cura fotônico que contém a tabela de substrato.
    2. Mover a amostra para a tabela de substrato do equipamento cura fotônico e corrigi-lo em conformidade (usando, por exemplo, fornecidos dispositivos elétricos magnéticos).
    3. Ajuste a altura da tabela de substrato do equipamento, usando o eixo da mesa para mover a amostra para o plano de foco do equipamento de cura.
    4. Feche a bandeja e ajustar o perfil de curando, como recomendado pelo fornecedor para o material impresso na interface do software do equipamento e pressione o botão Iniciar.
  4. Controle a homogeneidade da superfície qualitativamente usando um microscópio e quantitativamente usando um perfilômetro.
    1. Coloca a amostra na tabela de substrato (estágio) do perfilômetro.
    2. Se não hospedadas, principal palco usando o respectivo botão no software.
    3. Escolha a área que deve ser mapeada e respectiva resolução.
    4. Coloque a cabeça de medição na posição de partida e iniciar a medição.
    5. Após a medição estiver concluída, verifique o resultado para a consistência e salvar os dados.
  5. Repita fotônico ou procedimentos de curando térmicos usando adotado parâmetros curando se necessário.
    1. Aumente a energia fotônica usada em pequenos passos de, por exemplo, 5 V na interface do software do equipamento curando fotônico se a resistência alcançada é muito alta. Diminua a energia usada se a amostra mostra sinais de queimaduras.
  6. Ajuste os parâmetros do equipamento para a cura da primeira camada funcional do dispositivo para que uma condutibilidade suficiente para a aplicação em questão for atingida, mas ainda sem destruir a estrutura impressa ocorre.

6. jato de tinta de impressão e a cura da camada do primeira dispositivo

  1. Corrigir o substrato sobre a mesa de substrato usando fita adesiva e marcar a sua posição adequadamente.
  2. Como a primeira camada é condutora, para o substrato de tipo cerâmico e acrilato, usar aquecimento de substrato tabela de 60 ° C.
    Nota: A temperatura não deve exceder a uma temperatura que possa afectar o respectivo substrato (por exemplo, o acrilato tolera apenas a 65 ° C). Este ajuste pode ser feito nas configurações da impressora.
  3. Ajuste o bocal e parâmetros de impressão nas configurações da interface do software.
    1. Mova a cabeça de impressão para o dropview posição e observar a jorrar da tinta.
    2. Escolha um bocal que ejeta bem definidas e homogêneas gotas de tinta para impressão.
    3. Digite o número do bocal escolhido nas preferências da impressora.
  4. Ajustar a resolução usada da cabeça de impressão para depositar uma camada homogênea de tinta de acordo com as propriedades previamente determinado substrato: para substratos de baixa molhabilidade, por exemplo, um grande ângulo de contato e o tamanho da gota pequena aumentam a impressão resolução. Baixe a resolução para substratos de alta molhabilidade.

    Nota: O ajuste dos parâmetros de impressão pode ser feito nas configurações da impressora.
  5. Selecione o ponto de referência apropriado para o padrão de imprimir e armazenar suas coordenadas.
  6. Carregar o arquivo de gráfico (SVG) respectivos vetoriais escaláveis e selecione uma resolução adequada e tamanho, dependente do padrão desejado e as dimensões do substrato no software da impressora.
  7. Execute a impressão. Repita a impressão de uma camada de tinta até a homogeneidade da impressão é satisfatória.
  8. Controle a homogeneidade da camada impressa usando um microscópio calibrado ou usando o sistema de câmera inbuilt da impressora.
    1. Mover a câmera da impressora para a posição de impressão e observar a qualidade da impressão dada na interface do software da impressora.
  9. Cure a primeira camada usando os parâmetros determinados na secção 5 do presente protocolo.
    1. Para a tinta prata sobre um substrato de polímero (acrilato, folha), use um 1 pulso de ms em 250 V, com uma quantidade reduzida de energia (525 mJ/cm2).
    2. Para a tinta prata sobre um substrato de cerâmica, use calor cura em um forno como recomendado com a tinta (por exemplo, 130 ° C por 30 min).
    3. Curar a tinta dielétrica impressa a 200 V com pulsos de 1 ms e repetir os pulsos de 8 x na frequência de 1 Hz.
      Nota: O espectro da luz emitido usado na cura de Fotônica é bastante ampla (ultravioleta – infravermelho [UV-NIR]). Ainda assim, a quantidade de luz UV é suficiente para iniciar a fotopolimerização e curar a camada isolante.

7. inspeção de propriedades de superfície dos respectivos substratos para qualidade de impressão e o ajuste dos parâmetros de impressora para camadas subsequentes

Nota: Por favor, consulte os manuais do usuário do equipamento de medição para executar o perfilômetro medições e inspeções de microscopia.

  1. Realize medições perfilômetro para determinar a rugosidade e a espessura da camada impressa.
    1. Coloca a amostra na tabela do perfilômetro de substrato.
    2. Se não hospedadas, principal palco usando o respectivo botão no software.
    3. Escolha a área que precisa ser mapeado e respectiva resolução.
    4. Coloque a cabeça de medição na posição de partida e iniciar a medição.
    5. Após a medição estiver concluída, verifique o resultado para a consistência e salvar os dados.
  2. Realize medições de ângulo de contato para determinar as propriedades de molhabilidade.
    Nota: Consulte o manual do utilizador do equipamento de medição à mão sobre como executar corretamente as medições de ângulo de contato.
  3. Realize testes de tamanho de gota para determinar o tamanho de uma gota impressa no respectivo substrato.
    1. Imprima um padrão de queda usando uma configuração de impressora conhecida.
    2. Determine o tamanho da gota alcançada usando um microscópio calibrado ou sistema de inspeção inbuilt da impressora.
  4. Ajustar a resolução usada da cabeça de impressão para obter uma camada homogênea de tinta: para substratos de baixa molhabilidade, por exemplo, um grande ângulo de contato e o tamanho da gota pequena aumentam a resolução da impressão. Baixe a resolução para substratos de alta molhabilidade.
  5. Controlar as propriedades elétricas da primeira camada: para uma primeira camada condutora, usar a sonda do quatro-ponto para determinar a condutividade alcançada.
    1. Colocar a amostra na tabela de substrato.
    2. Baixa a cabeça de medição sobre a pista, condutora, certificar-se de que a sonda tem bom contacto com a estrutura impressa, para ser analisado.
  6. Para uma primeira camada de isolamento, certifique-se que a superfície homogênea cobre o condutor abaixo. Use um microscópio para confirmar. Verifique se as propriedades de isolamento usando um multímetro.

8. ajustes de parâmetro para camadas subsequentes de cura

  1. Imprima várias estruturas, usando uma camada da tinta usada para a próxima camada de dispositivo, sobre um substrato de manequim com uma camada anterior equivalente.
  2. Use somente fotônico cura para todos os substratos.
  3. Após a cura, controlar as propriedades elétricas e estruturais da camada impressa: para determinar se a condutividade é suficiente, use uma medida de quatro pontos de sonda.
  4. Controle a homogeneidade da superfície qualitativamente usando um microscópio e quantitativamente usando o perfilômetro.
  5. Se necessário, repita fotônicos procedimentos de curando.
  6. Ajuste os parâmetros do equipamento para a cura da camada do dispositivo funcional posterior.

9. jato de tinta de impressão e de cura de camadas subsequentes de dispositivo

  1. Corrigi o substrato sobre a mesa de substrato adequadamente na posição previamente marcada.
  2. Ajuste os parâmetros de impressão e bocal conforme determinado da etapa anterior.
  3. Selecione o ponto de referência apropriado para o padrão de impressão e certifique-se de que os padrões impressos estão bem alinhados uns com os outros para garantir a funcionalidade adequada do dispositivo mais tarde.
  4. Carrega o arquivo SVG respectivos com tamanho e resolução adequada.
  5. Execute a impressão. Repita a impressão de uma camada de tinta até a homogeneidade da impressão é satisfatória.
  6. Controlar a homogeneidade da camada impressa sob um microscópio (aqui, o sistema de câmera inbuilt da impressora é usado).
  7. Use cura fotônico somente para a cura desta camada. Use os parâmetros previamente determinados por uma camada isolante ou uma camada condutora sobre o isolador.
  8. Após a cura, controlar as propriedades elétricas e estruturais da camada impressa: para determinar se o intervalo de condutividade da camada condutora é aceitável, usar um multímetro.

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Representative Results

As imagens SEM mostrado na Figura 1, podem elaborar-se conclusões sobre a qualidade de impressão em substratos respectivos. As barras da escala são diferentes devido os diferentes intervalos da rugosidade da superfície. Na Figura 1a, a superfície do substrato cobre é mostrada, que é de longe o mais suave. Figura 1 c, por outro lado, mostra de aço, um substrato que não é utilizável para impressão jato de tinta, devido à alta porosidade e ângulo de contato instável (ver também quadro 2). Na Figura 1b, aparece uma imagem SEM o substrato de bronze, e na Figura 1D, a superfície de amostra de titânio é ilustrada.

Na Figura 2 e Figura 3, os resultados das medições perfilômetro são dadas. Estas avaliações são necessárias para determinar a rugosidade da superfície dos substratos respectivos. Os substratos metálicos com uma aspereza bem acima de ~ 1 µm (alumínio, titânio e aço) não são utilizáveis para impressão jato de tinta, como a tinta tende a ser absorvido devido a alta porosidade e, portanto, inibe a fabricação das camadas homogêneas e reprodutíveis estruturas. O substrato de cerâmico da alumina-baseado tem uma rugosidade comparável, mas devido ao processo de fabricação diferente, não apresentam tais porosidades de superfície elevadas e pode, portanto, ser usado.

Largue testes de tamanho, tais como ilustrados qualitativamente na Figura 4 e reuniram-se quantitativamente na tabela 3, dê o tamanho da gota realizáveis e, assim, também as propriedades de molhabilidade para a respectiva combinação de substrato e tinta. Substratos onde sem gotas distintas são formaram ou tem muito pouco molhabilidade (isto é verdade para os metais de AM com uma baixa rugosidade da superfície), ou eles são muito porosos (isto é verdade para os metais de AM com uma elevada rugosidade da superfície [por exemplo, a figura 4D]). Na figura 4a, é ilustrado o resultado da impressão em bronze. Figura 4b mostra cobre, Figura 4C mostra de cerâmica, e Figura 4D ilustra o resultado da amostra do aço.

Na Figura 5, imagens microscópicas dos resultados após a cura de uma camada condutora de 1 mm de largura na tinta de isolamento são dadas. Com base nessas imagens, a integridade das estampas pode ser avaliada. Para a tinta condutora em cobre (Figura 5b), o melhor resultado pode ser alcançado; a faixa de condutor em alumínio (Figura 5a) é completamente destruída; as condutoras faixas imprimidas em substratos cerâmicos (Figura 5-c, d) estão intactas, mas mostram a delaminação. A delaminação é devido à absorção do calor fraco e alta reflexão de substratos. A redução da dose de cura sobre estes substratos produz faixas condutoras que melhoraram as propriedades elétricas e estruturais.

Para determinar os perfis de altura e qualidade de superfície das estruturas multicamadas impressas, perfis de altura, que são os resultados das medições do perfilômetro, reunidos, como indicado na Figura 6 e Figura 7, usando o perfilômetro. Desses perfis de altura, a superfície homogeneidade das faixas condutoras (a suavidade das curvas azuis) pode ser determinada. Além disso, as superfícies que perdeu sua integridade estrutural (alumínio, titânio) podem ser identificadas pelas grandes gradientes em seus perfis de altura.

As análises FIB com cobre (figura 8a), bronze (Figura 8b), titânio (Figura 8C) e bronze (Figura 8 d) são mostradas para ilustrar uma suficiente homogeneidade em massa de substratos metálicos AM. As barras de escala são diferentes aqui a fim de capturar otimamente as características estruturais das estampas multicamadas (deficiências na homogeneidade, pista de condutor, etc.). Isso garante condutibilidade elétrica suficiente de substratos para que estes podem ser usados para blindagem em aplicações de sensoriamento capacitivas e magnéticas. Resultados para a resistência de folha conseguida usando uma sonda de quatro pontos são reunidos na tabela 4. Além disso, uma avaliação qualitativa das camadas impressas é possível. As estruturas granulares são formadas por nanopartículas curadas e a camada abaixo é a tinta isolante. Em, por exemplo, a figura 8b, vemos nonhomogeneities (buracos, inclusões de ar) nas camadas impressas. Estas resultam de gases durante a cura. Desgaseificação pode ocorrer quando a dose de cura para tinta condutiva na tinta isolante é muito alta. Este efeito influencia negativamente a integridade das estruturas impressas e excessiva gases leva à destruição.

Na Figura 9, são mostrados resultados de medições. Estes resultados são obtidos usando um manifestante que emprega um princípio de sensoriamento capacitivo. A suavidade das curvas ilustra a alta qualidade viável, apesar das deficiências estruturais que podem resultar de processos de impressão.

Figure 1
Figura 1: imagens SEM a substratos metálicos. Estas imagens show (um) cobre, (b) (c) aço, bronze e titânio (d). Eles são tomados em diferentes ampliações, conforme ilustrado pela barra de escala no canto inferior direito de cada imagem. Com base nessas imagens, a homogeneidade de superfície pode ser avaliada. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: perfilômetro medições de substratos de AM metálicos e cerâmicos. A rugosidade valores Rum e Rq em nanômetros são determinados de acordo com a ISO 4287. Para a prata, os valores são 689.39 nm e 788.06 nm, respectivamente; para o alumínio, eles são 2151.19 nm e 2750.38 nm, respectivamente; para baseados em alumina (Al2O3) substratos, eles são 1210.47 nm e 1737.6 nm, respectivamente; baseado em zircônia (ZrO2) substratos, há 559.97 nm e 681.56 nm. A ondulação é a mais amplamente espaçada textura da superfície do substrato. A ondulação é o restante textura em-homogeneidade com o componente de rugosidade removido. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: perfilômetro medições de substratos metálicos. O Ra e Rq valores para os respectivos substratos são, de latão, 414.2 nm e 494.49 nm, respectivamente; de titânio, 1099.86 nm e 1448.06 nm, respectivamente; para cobre, 307.63 nm e 358.92 nm, respectivamente; para o aço, 1966.95 nm e 2238.78 nm, respectivamente. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Drop tamanho testes para substratos metálicos e cerâmicos. Estas imagens mostram (um) de bronze, cobre (b), (c), aço de ZrO2 e (d). Gotas distintas medidas aqui são marcadas (quando possível) por flechas na respectiva imagem. Os tamanhos de gota determinado reunidos na tabela 3. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: imagens microscópicas de tinta condutiva impressas em um isolante e um substrato de metal AM após a cura fotônico. Os substratos são (a) de alumínio, cobre (b), (c), Al2O3e (d) ZrO2. A largura da estrutura condutora em cada imagem é w = 1 mm. A integridade da estrutura condutora de alumínio é completamente destruída, Considerando que as estruturas em cobre e Al2O3 permanecem intactas. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: perfis de altura para as faixas condutoras o isolador para substratos metálicos, determinado usando o perfilômetro. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: perfis de altura para as faixas condutoras sobre suportes de metal e cerâmicas, determinados usando o perfilômetro. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: imagens FIB de tinta condutiva sobre os substratos metálicas e isolador. Estas imagens mostram (um) cobre, bronze (b), titânio (c) e (d) bronze. Esta figura foi modificada de Faller et al 41. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: enredo da medição resulta de um dispositivo de demonstrador fabricado seguindo a metodologia sugerida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

mínimos detalhes /
mm		 precisão mínima /
% featuresize		 processo
Prata 0.25 5,00 fundição de cera cera 3D-impressão & perdidos
Titânio 0.1 0.2 direto de sinterização a laser de metal
Aço 0.35 2 a 3 ligação química e sinterização @ 1300 ° C
Bronze 0.35 5,00 fundição de cera cera 3D-impressão & perdidos
Latão 0.35 5,00 fundição de cera cera 3D-impressão & perdidos
Alumínio 0.25 0.2 direto de sinterização a laser de metal
Cobre 0.35 5,00 fundição de cera cera 3D-impressão & perdidos
Al2O3 0,025-0,1 0,04 LCM-tecnologia
ZrO2 0,025-0,1 0,04 LCM-tecnologia

Tabela 1: tolerâncias e limitações dos processos de impressão 3D. Esta tabela foi modificada de Faller et al 41.

titânio aço bronze latão cobre
umc / ° 85,9 71.15 100,3 100.03 88.54
Σum 7,27 17,64 3.17 2.25 6.84

Tabela 2: ângulos de contacto reunidos um c e seu desvio padrão σ um em graus. Esta tabela foi modificada de Faller et al 41.

titânio bronze latão cobre Al2O3 ZrO2
dropsize / µm 23,97 31. O3 36.04 29.03 69 69,3

Tabela 3: gota reunidos diâmetros d d em micrômetros. Esta tabela foi modificada de Faller et al 41.

r□ em mΩ/□ Comentários
Titânio 3000
Aço 600
Bronze 2000
Latão 300
Alumínio 30000
Cobre 180
Al2O3 150,00 diferentes da energia usada para curar fotônica: 527 mJ/cm ²
ZrO2 20,00 trilha condutora retirada

Tabela 4: Reunidos folha resistências r□ em mΩ/□. Resistências de folha são denotadas usando um índice de Praça (□) significa ohm por praça. Este termo geralmente se refere a 2D-estruturas e, assim, também implica que o fluxo de corrente ao longo do plano da folha. A resistência da folha pode ser multiplicada pela espessura da película para dar a Resistividade em massa. Esta tabela foi modificada de Faller et al 41.

Video
Video 1: processo de LCM. Este processo é usado para fabricar os substratos cerâmicos (imagens cortesia de Lithoz). Por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)

Complementar Figura 1: exemplo de um projeto de bobina multilayer. Clique aqui para baixar esta figura.

Complementar Figura 2: Exemplo de desenhos de desenho assistido por computador (CAD), usado para a impressão de 3D de estruturas multicamadas bobina.   Por favor clique aqui para baixar esta figura.

Complementar Figura 3: Exemplo de desenhos de desenho assistido por computador (CAD), usado para a impressão de 3D de sensores capacitivos multi eletrodos.   Por favor clique aqui para baixar esta figura.

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Discussion

Uma maneira de fabricar estruturas multicamadas sensor em substratos de impressão 3D e na folha é demonstrada. Metal de AM, bem como substratos cerâmicos e acrilato, tipo e folha são mostrados para ser adequado para impressão inkjet multicamado, como a aderência entre o substrato e as diferentes camadas é suficiente, bem como a respectiva capacidade de condutividade ou isolamento. Isto podia ser exibido por impressão camadas de estruturas condutoras em material isolante. Além disso, a impressão e processos para todas as camadas de cura foi realizada com sucesso sem prejudicar um ao outro.

As estratégias de fabricação apresentadas neste trabalho são altamente sensíveis para a interação dos diferentes materiais e propriedades de superfície. Consequentemente, a reprodutibilidade das etapas executadas é dependente do processo de fabrico respectivos. Para a preparação dos materiais utilizados AM, isso precisa ser considerado que as propriedades de superfície e do volume podem variar significativamente dependendo do método de fabricação (Figura 1 e tabela 2). Para impressão a jato de tinta, os parâmetros propostos têm de ser cuidadosamente ajustado para o sistema de impressão utilizado, bem como as respectivas tintas42,,43,44. A jettability de diferentes tintas de nanopartículas Ag pode variar significativamente, dependendo da formulação. Isso significa que certos aditivos e solventes da tinta determinam sua viscosidade específica, tensão superficial e ponto de ebulição.

Outro ponto a considerar é a aglomeração de conteúdo sólido quando a tinta idades ou não é armazenada corretamente, que pode distorcer a qualidade jorrando. Além disso, a afinação específica da cabeça de impressão em si também é crucial, especialmente as dimensões da abertura do bocal. Ele determina os parâmetros jorrando reais, como a tensão jorrando, forma de onda e temperatura setpoint, bem como o tamanho da gota resultante (Figura 4 e tabela 3). Durante o processo de impressão em si, uma tabela de substrato aquecido também pode aumentar a temperatura da cabeça de impressão por causa da proximidade espacial, resultando em uma alteração e possível degradação do comportamento da impressão. Portanto, é fundamental monitorar a temperatura da cabeça de impressão durante o processamento.

Outro fator que pode influenciar o comportamento jorrando durante a impressão é a pressão da tinta como ele pode ter que ser diminuída como a baixa de nível de tinta durante o processamento. Fabricação da interconexões em um substrato condutor é não trivial, como a camada isolante dispensada tem que ter uma espessura suficiente para evitar curto-circuitos, mas ainda precisa deixar espaço suficiente para formar a interconexões usando solda condutora Cole.

Além disso, a adesão entre os três materiais tem de ser aceitável para formar vias estável. Durante o processo de cura, a tolerância de temperatura da camada de isolamento deve ser considerado também. Portanto, pasta de solda cura de baixa temperatura tem sido empregada para as respectivas interconectam. Depois de imprimir as camadas funcionais, eles precisam ser curado para produzir a resistência da folha desejada (tabela 4). Sinterização térmica é um método adequado e eficaz para os padrões de prata se o substrato ou a camada subjacente possui uma temperatura suficientemente alta tolerância45. Este não é o caso para as camadas de isolamento, por cura fotônico é empregado (Figura 5). Durante o processo de cura fotônico, uma grande quantidade de energia é transferida para a amostra. Portanto, é crucial assegurar que os padrões impressos têm suficientemente secos antes do processo de cura como, caso contrário, os restantes solventes podem chegar ao seu ponto de ebulição e podem destruir as camadas impressas devido a expansão do líquido e a formação de bolhas (Figura 8).

Além disso, a secagem suficiente é necessário criar camadas de espessura homogênea (Figura 6 e Figura 7). Espessura homogênea é necessária para aplicações onde nanômetros medições baseadas em, por exemplo, um princípio capacitivo é empregado (Figura 9). Aqui, uma distância uniforme do elétrodo sensoriamento pode afetar significativamente a qualidade de46.

Em geral, pode ser declarado que a escolha de parâmetros de cura fotônicos ideais para as camadas de dispositivo em um isolador é um fator crucial: se a energia introduzida não é suficiente, a tinta condutiva permanece não sinterizada e a resistência da folha é demasiado elevada para o dispositivos para ser eletricamente funcional; introduzindo-se muita energia, será produzido calor excessivo no filme e, consequentemente, a faixa condutiva é destruída. O substrato de cobre rendeu o melhor resultado em termos de resistência de folha (ver quadro 4) e também na qualidade de superfície alcançada e integridade da faixa de metal impressa. Isto pode ser devido a sua aspereza de superfície, sendo o mais baixo entre todos os substratos considerados. A refletividade do substrato pode ser identificada como influenciar o resultado de curando fotônico significativamente. A refletividade do respectivo substrato deve ser considerado na cura para alcançar um resultado otimizado com relação ao espectro de curando fotônico aplicado e perfil. Isso tem que ser adaptado para substratos individuais e combinações de tinta.

Neste trabalho, demonstrou-se à adequação dos substratos AM e folha para impressão jato de tinta. Além disso, determinaram-se as propriedades do material juntamente com os fatores essenciais para o processo. Uma estratégia para fabricar protótipos de sensor trabalho na folha e suportes de metal e polímero de AM foi apresentada. Finalmente, a qualidade de medição realizável com base em medições, feitas com um sistema de demonstrador foi mostrada. Esta abordagem constitui um contributo importante para o futuro functionalization elétrica de superfícies, compartimentos e outras estruturas que tiveram uma finalidade exclusivamente mecânica na concepção de inúmeros dispositivos até agora.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho tem sido apoiado pela cometa K1 ASSIC austríaco inteligente sistemas integração centro de pesquisa. Os centros de cometa-competência para excelentes tecnologias-programa é suportado pelo BMVIT, BMWFW e as províncias federais de Caríntia e Estíria.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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