Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Изучение процесса узоризации точек на гибких материалах с использованием технологии горячего эмбоссирования Impact Print

Published: April 6, 2020 doi: 10.3791/60694
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Robotics Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

Summary

Технология горячего тиснения типа Impact использует заголовок воздействия для выгравирования точечных узоров на гибких материалах в режиме реального времени. Эта технология имеет систему управления движением и положением заголовка удара для создания точечных узоров с различной шириной и глубиной на различных полимерных пленках.

Abstract

Здесь мы представляем наше исследование по удару печати типа горячего тиснения процесс, который может создать точечные узоры с различными конструкциями, ширины и глубины в режиме реального времени на полимерной пленки. Кроме того, мы внедрили систему управления движением и положением заголовка удара, чтобы выгравировать различные точечные узоры. Мы выполнили точечный узор на различных полимерных пленках, таких как полиэстер (ПЭТ) пленка, полиметил метакрилат (PMMA) пленка, и поливинилхлорид (ПВХ) пленки. Точечные шаблоны были измерены с помощью конфокального микроскопа, и мы подтвердили, что процесс горячего тиснения типа удара производит меньше ошибок в процессе узоризации точек. В результате, процесс горячего тиснения типа удара оказывается подходящим для гравировки точечных узоров на различных типах полимерных пленок. Кроме того, в отличие от обычного горячего процесса тиснения, этот процесс не использует тиснение штамп. Таким образом, процесс прост и может создавать точечные узоры в режиме реального времени, представляя уникальные преимущества для массового производства и мелкого количества серийного производства.

Introduction

Исследователи активно пытаются миниатюризировать существующие устройства и дисплеи и повысить гибкость этих устройств1,2. Для уменьшения ширины и глубины электрических каналов до микро- или нано-масштаба необходима высокоточная технология. Кроме того, чтобы повысить гибкость этих устройств, узоры электрических каналов должны быть расположены на гибком материале, таком как полимерная пленка3,,4. Для выполнения этих условий активно ведется изучение технологии сверхтонкой микрообработки.

Ультратонкая технология микрофабрикации имеет преимущество в том, что возможные узорные материалы включают не только очень жесткие материалы, такие как железо или пластик, но и мягкие материалы, такие как полимерные пленки. Благодаря этим преимуществам, эта технология широко используется в качестве основного процесса в различных областях, таких как связь, химия, оптика, аэрокосмическая, полупроводниковая идатчики5,,6,7. В ультратонкой области микрообработки, LIGA (литография, электроплита, и литье) или методы микрообработки используются8. Однако эти традиционные методы связаны с несколькими проблемами. Методы LIGA требуют значительного количества времени и нескольких этапов процесса для создания сверхтонких шаблонов и несут высокую стоимость, поскольку они нуждаются в различных типах оборудования во время процессов. Кроме того, методы LIGA используют химические вещества, которые могут загрязнять окружающую среду.

Для решения этой проблемы среди ультратонких технологий микропроцесса была прооцентрирована технология горячего тиснения. Горячие тиснение это технология, которая создает шаблон на подогревом полимерной пленки с помощью микро- или наномасштабных тиснение формы. Обычная технология горячего тиснения делится на тип пластины и тип рулона в рулон в зависимости от формы. Два типа горячей тиснения технологии отличаются с точки зрения формы, но эти два процесса похожи в том, что тиснение плесени нажимает полимерной пленки на подогревом пластины, чтобы выгравировать шаблон на полимерной пленки. Чтобы выгравировать рисунок с помощью горячего процесса тиснения, необходимо нагреть полимерную пленку выше температуры перехода стекла и применить достаточное количество давления (30-50 МПа)9. Кроме того, ширина и глубина рисунка меняются в зависимости от температуры нагретой пластины, материала и формы тисненой формы. Кроме того, метод охлаждения после процесса узора влияет на форму узора на полимерной пленке.

В обычном горячем процессе тиснения, тиснение марки или ролики могут быть тиснением с желаемым шаблоном, и тиснение формы могут быть использованы для печати же шаблон на полимерной пленки поверхностей непрерывно. Эта функция делает этот процесс подходящим не только для массового производства, но и для изготовления устройств с мягкими материалами, такими какполимерныепленки10,11,,12,,13,,14. Тем не менее, обычный метод горячего тиснения может только создать один шаблон выгравированы в тиснение формы. Поэтому, когда пользователь хочет сделать новый шаблон или изменить шаблон, они должны сделать новую форму, чтобы изменить шаблон отпечатков. По этой причине обычное горячее тиснение является дорогостоящим и трудоемким при создании новых шаблонов или замене существующих конструкций.

Более ранняя работа представила удар типа горячего тиснения процесс для производства точечных узоров с различной шириной и глубиной в режиме реального времени15. В отличие от обычного горячего процесса тиснения, метод горячего тиснения типа удара использует заголовок удара для создания шаблонов на полимерной пленке. Эта технология перемещает заголовок удара в нужное положение с помощью системы точного позиционирования. Контрольный сигнал применяется к шаблонам печати на нужной ширине и глубине и в произвольном положении. Структура ударного заголовка состоит из переворачивания, пружины, обмотки катушки и ядра (см. рисунок 1А)15. Более ранняя работа подтвердила через анализ и эксперимент, что такое воздействие заголовок может производить надлежащую силу для горячего тиснения16. Протокол данного документа охватывает дизайн оборудования для процесса горячего тиснения типа удара и среду управления для управления процессом. Кроме того, мы анализируем точечные шаблоны на ПЭТ-пленке, пленке PMMA и пленке ПВХ, все из которых обрабатываются с предлагаемым протоколом, чтобы убедиться, что процесс горячего тиснения типа удара может создавать точечные узоры с различной шириной и глубиной в режиме реального времени. Результаты этих экспериментов приведены ниже в разделе результатов, подтверждая, что процесс тиснения может надлежащим образом производить ультратонкие узоры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Изготовление процесса горячего тиснения типа удара

  1. Сделать модель 1 и объединить его с X-этап (см. Рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется, чтобы модель 1 была сделана из алюминия, чтобы избежать нагрева, проводимого на X-этапе. Кроме того, рекомендуется, чтобы длина модели 1 была расстояние между поверхностью тепловой пластины и низкая высота подшипниковой пластины в стадии, как дизайн модели 1 варьируется в зависимости от размера тепловой пластины.
  2. Объедините X-этап и этап и соберите этапы и модель 2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что модель 2 изготовлена из металла, который может выдержать тепло от тепловой пластины (например, алюминия). Фиксация модели 2 к плотной фазе будет обеспечивать возможность этапа в весе Модели 2 и ударного заголовка.
  3. Объедините Model 2 и заголовок удара и поместите тепловую пластину ниже модели 1.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Присоединение к заголовку удара с самым низким положением на модели 2 гарантирует, что усилитель достигнет поверхности тепловой пластины. Рекомендуется установить тепловую пластину после максимального повышения фазы, чтобы избежать какого-либо контакта ударной головки с поверхностью тепловой пластины. Используйте подходящее программное обеспечение для управления этапом.
  4. Преобразуйте STL-файлы держателя пленки(Дополнительный файл 1 и дополнительный файл 2) в файлы GCODE с использованием подходящего программного обеспечения для печати держателя пленки с помощью трехмерного (3D) принтера.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение может варьироваться в зависимости от используемого 3D принтера, а некоторые среды могут поддерживать среды 3D принтера без преобразования GCODE.
  5. Используйте 3D-принтер для печати держателя пленки с помощью файла GCODE.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При печати больших частей, таких как держатель пленки, рекомендуется использовать нить (например, З-HIPS), поскольку при печати будут происходить меньшее сокращение.
  6. Установите два держателя пленки на конец тепловой пластины и закрепите полимерную пленку на держателе пленки, как показано на рисунке 1. Чтобы обеспечить плоскую пленку полимера на тепловой пластине, потяните полимерную пленку как можно больше, используя движение 1 держателя пленки (см. Рисунок 1B). Чтобы переместить полимерную пленку в сторону, переместите держатель пленки с помощью движения 2 (см. рисунок 1B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы зафиксировать полимерную пленку на держателе пленки, рекомендуется использовать винт. Клей недостаточен для крепления полимерной пленки на держатель пленки, и лучше всего для отсоединения полимерной пленки после узорного эксперимента.

2. Изготовление цепи управления

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс описывает процесс построения цепи управления заголовком удара и стадии X- '

  1. Подключите контрольное устройство, которое посылает сигналы (см. Таблица материалов)к заголовку удара, чтобы контролировать его.
  2. После подключения контрольного устройства к заголовку удара вввод -3 V и No10 V в качестве сигналов управления в заголовок удара.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если сигнал управления No10 V отправляется в заголовок удара (см. Рисунок 1),то грузчик (ударная головка) спускается вниз и входит в состояние включания. В этом состоянии, перевере попадает в полимерную пленку и выгравирует узор на полимерной пленке.
    1. Поднимите наверствие, чтобы выгравировать следующий узор после гравировки шаблона, используя заголовок удара. Чтобы поднять нагнетаем (ударную головку), нанесите сигнал управления -3 V.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Отрицательное напряжение ввода удара заголовок, чтобы предотвратить намагничивается от пересадчика внутренним потоком остатков заголовка удара.
  3. Если контрольное устройство не может поставить достаточный контрольный сигнал, используйте усилитель высокой мощности (например, OP-AMP), который усиливает контрольный сигнал No0 V-5 V до 3 V- 10 V, как показано на рисунке 2,для управления заголовком удара.
    1. Во-первых, подготовить двухканальный блок питания ПОСТОЯННОГО тока (см. Таблица материалов). После этого шага соедините четыре узла, чтобы обеспечить общий язык (GND) узлов для всех каналов: терминал положительного напряжения (V1) и наземный (GND) терминал для канала 1 и терминал отрицательного напряжения (V2-) и наземный (GND) для канала 2. Общая диаграмма соединения отображается на рисунке 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В соответствии с шагом, описанным в 2.3.1, положительное и отрицательное напряжение с различными абсолютными значениями может быть поставлено на операционный усилитель (OP-AMP).
    2. Подключите терминал отрицательного напряжения канала 1 (V1-) источника питания к терминалу отрицательного напряжения питания (Vs-) OP-AMP, о чем свидетельствует синяя линия на рисунке 2. Впоследствии, ввод 3 V Vcc напряжения на канал 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно шагу 2.3.1, напряжение 3 V Vcc поставляется как -3 V отрицательное напряжение к терминалу отрицательного напряжения питания (Vs-) OP-AMP.
    3. Подключите терминал положительного напряжения канала 2 (V2) источника питания к терминалу напряжения питания (Vs) OP-AMP, о чем свидетельствует красная линия на рисунке 2. Впоследствии, ввод 10 V VV Vcc напряжения на канал 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В соответствии с шагом 2.3.1, напряжение 10 V Vcc поставляется в качестве положительного напряжения 10 В в терминал еженедельника питания (Vs) OP-AMP.
    4. Подключите «выходной канал контрольного устройства » (Vcon) к положительному вхотворному каналу (Vin) OP-AMP, как показано на зеленой линии на рисунке 2.
    5. Подключите канал вывода контрольного устройства (Vcon-) к земле (GND) канала 2 источника питания, как показано черной линией на рисунке 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При подключении (Vcon-) к земле (GND) можно подключить его к одному из терминалов, подключенных во время шага 2.3.1 в дополнение к GND канала 2.
    6. Подготовьте электрическое сопротивление значений 1 кз и 10 кЗ в каждом конкретном случае и соедините их между красной и черной линией, как показано на рисунке 2.
    7. Соедините терминал между 1 кЗ и 10 кЗ с отрицательным входного канала OP-AMP (Vin-), как показано на фиолетовой линии на рисунке 2.
    8. Вытащите линии из выходного канала OP-AMP (Vout) и одного из электрических терминалов, описанных в шаге 2.3.1. Подключите линии к заголовку удара, как показано на оранжевой линии на рисунке 2.
    9. Что касается источника питания, установите напряжение канала 1-3 Vcc и канала 2-10 Vcc. Впоследствии, генерировать контрольные сигналы No 0 V-5 V от устройства управления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Генерируемые сигналы управления No0 V-5 V будут усилены OP-AMP до 3 V-10 V, что необходимо для управления заголовком удара, как описано в шагах 2.2.1 и 2.2.2.

3. Экспериментальная конструкция

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описаны процессы управления устройством горячего тиснения типа удара и гравировка точек на полимерной пленке.

  1. Установите программу управления этапом (например, Micromove) для управления X-этапом и этапом с помощью компьютера управления (PC).
  2. Установите программное обеспечение драйвера ДАЗ для обнаружения контрольного устройства на контрольном компьютере, который управляет заголовком удара, и установите операционную программу (например, MATLAB) для управления устройством управления.
  3. После установки программного обеспечения постройте аппаратную среду, как показано на рисунке 3А, для проведения эксперимента по моделиру.
    1. Установите x этап, этап, заголовок удара, держатель пленки, и плита жары как показано в рисунке 3a для того чтобы построить окружающую среду оборудования.
    2. Закрепите полимерную пленку на держателе пленки и отрегулируйте положение полимерной пленки с помощью движений 1 и 2 (см. рисунок 1B),чтобы исправить пленку наотрез.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы сохранить пленку плоской при корректировке направления 2, расположение двух держателей пленки должно быть параллельным. Чтобы сделать пленку плоской на тепловой пластине, рекомендуется настроить держатель пленки, опустив положение в соответствии с направлением 1, как показано на рисунке 1B.
    3. После фиксации полимерной пленки отрегулируйте температуру тепловой пластины, чтобы нагреть пленку над температурой перехода стекла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый тип пленки имеет свою собственную температуру перехода стекла. Поэтому после проверки материальных свойств пленки в соответствующем листе данных рекомендуется настроить температуру тепловой пластины к собственной температуре перехода стекла.
  4. После установки оборудования, положить схему управления вместе, как показано на рисунке 3B для управления этапом и заголовок удара.
    1. Подготовьте ПК, доску управления, блок питания и OP-AMP для построения среды управления, как показано на рисунке 3B. Подключите устройства, как показано на рисунке 2, а затем подключите компьютер к доске управления.
    2. Введите значения 3 Vcc и 10 Vcc в OP-AMP через каналы 1 и 2 источника питания соответственно, как описано в шаге 2.3.9.
  5. Управление заголовок сцены и удара с помощью управляющего компьютера.
    1. Отрегулируйте исходное положение заголовка удара, контролируя этапы X и No с помощью программы управления этапом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При регулировке исходного положения заголовка удара убедитесь, что нет никакого столкновения между заголовком удара и тепловой пластиной. Если положение фазы является слишком низким, грузоотготовитель столкнется с тепловой пластиной, повредив как грузоотворную, так и тепловую пластину. Если есть повреждения обоих устройств, это будет препятствовать созданию тонких узоров на полимерном материале.
    2. Используя операционную программу, генерируйте 5 V контрольный сигнал с управляющего устройства. В соответствии с шагами 2.3.1-2.3.9, OP-AMP усилит 5 V-сигнал управления до 10 В, включит заголовок удара и выгравирует узоры на полимерной пленке.
    3. Теперь создайте сигнал управления 0 V от управляющего устройства с помощью операционной программы. В соответствии с шагами 2.3.1-2.3.9, OP-AMP усилит сигнал управления 0 V до -3 V и выключит заголовок удара.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Перевер удара заголовок будет поднят, ожидая, чтобы выгравировать новый шаблон.
    4. Переместите X-этап в положение, чтобы выгравировать следующий шаблон.
    5. Гравировка узоров 3x на полимерной пленке, повторяя шаги 3.5.1-3.5.4 последовательно.
    6. Опустите 10 мкм от исходной позиции и выполните шаг 3.5.5, подсчитывая количество ходов. Когда количество движений этапа превышает три, переместите X-этап в исходное положение и максимально повысите заголовок удара, переместив этап.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Изменение высоты этапа составит коррективы в глубине и ширине точечного шаблона.
  6. Отсоедините полимерную пленку от держателя пленки и измерьте ширину и глубину каждого рисунка с помощью конфокального микроскопа (см. Таблица материалов),как показано на рисунке 4A.
    1. Перед началом процесса измерения выберите значение увеличения микроскопа и используйте режим прямого наблюдения, чтобы сначала отрегулировать сканирующее положение полимерной пленки. После корректировки положения с помощью прямого наблюдения, исправить полимерной пленки и изменить режим сканирования в режиме лазерного сканирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании конфокального микроскопа, с помощью акриловой панели рекомендуется исправить образец, как показано на рисунке 4B.
    2. Используя режим лазерного сканирования, измерьте глубину и ширину точечного рисунка.
  7. Повторите шаги 3.3.2-3.6.2 после изменения типа пленки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая температуру перехода стекла каждого типа пленки, установите температуру тепловой пластины перед размещением каждой пленки на тепловой пластине. В этом исследовании температура перехода стекла пВХ-пленки составляет 100 градусов по Цельсию; для пленки PMMA это 95 градусов по Цельсию, а для ПЭТ-пленки это 75 градусов по Цельсию.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Эффект печати типа горячего тиснения процесс, который может быть использован для гравировки точка моделей на полимерной пленки в режиме реального времени, как показано на рисунке 1. Этот процесс может решить проблемы высокой стоимости и длительные сроки замены шаблонов, связанные с существующим процессом горячего тиснения. Схема управления была построена, как показано на рисунке 2 (см. шаги 2.3-2.3.9), с использованием ДАЗ, OP-AMP, и блок питания для резьбы моделей на различных типах полимерных пленок путем реализации удара заголовок во время выключения операции. Реализованный процесс горячего тиснения типа удара показан на рисунке 3.

В предыдущих исследованиях воздействия печати типа горячего тиснения, только эксперименты на pmMA пленки были проверены, в то время как никакие другие полимерные пленки были протестированы. Для того, чтобы проверить, что воздействие печати типа горячего тиснения может выгравировать узоры на других полимерных пленках в режиме реального времени, эксперименты были проведены с использованием PMMA пленки, ПВХ пленки, и ПЭТ-пленки. Высота заголовка удара была уменьшена на 10 мкм на каждые три точки с помощью этапа, и мы проверили, могут ли девять точек образовывать точку с различной высотой на трех типах пленок. С помощью оборудования, показанного на рисунке 3,на трех полимерных пленках был создан точечный рисунок, а для наблюдения за рисунком использовался конфокальный микроскоп (см. шаг 3.6).

Рисунок точек показан на рисунке 4B. Как показано на рисунке 4B,были использованы девять пунктов, а размер шаблона увеличился с образца 1 (S1) до образца 3 (S3), потому что высота этапа сдвинулась на 10 мкм. В этом случае на рисунке 5показаны двумерные (2D) изображения с помощью конфокального микроскопа из трех полимерных пленок. На 2D-изображении на рисунке 5 показана часть S1 каждого шаблона. Рисунок 5А показывает образец ПЭТ-пленки толщиной 50 мкм, на рисунке 5B показан апроба пленки PMMA толщиной 175 мкм, а на рисунке 5C показан апроба пленки из ПВХ толщиной 300 мкм. На рисунке 6 показаны 2D микрографы одного точечного узора и 3D-микрографы S1 с использованием режима лазерного сканирования (LSM) конфокального микроскопа. Как показано на рисунке 6,мы могли бы измерить ширину и глубину каждого точечного рисунка, и шаблон был четко наблюдаемым через 2D-изображение одной точки.

Результаты ширины и глубины девяти точечных узоров на трех полимерных пленках с использованием 3D-функции конфокального микроскопа показаны в таблице 1. ПЭТ-пленка тоньше, чем другие полимерные пленки. Поэтому мы тщательно создали образец, чтобы ударный заголовок не касался тепловой пластины, когда была скорректирована сцена. Для ПЭТ, в S1 средние значения ширины и глубины шаблона составили 110,6 мкм и 10,3 мкм соответственно, с соответствующими ошибками --5,6-6,2% и -3,3-1,7%. Для S2, после того, как высота этапа была снижена на 10 мкм, средние значения по ширине и глубине шаблона изменились до 155,2 мкм и 17,0 м км соответственно, с соответствующими ошибками в 5,2-2,8% и 3,0-2,0%. Для S3, после того как высота этапа была уменьшена еще на 10 мкм, средние значения по ширине и глубине шаблона изменились до 170,8 мкм и 25,7 мкм соответственно, с соответствующими ошибками в 2,8-4,2% и 2,7-2,3%.

Для PMMA в S1 средние значения ширины и глубины шаблона составляли 240,2 мкм и 112,2 мкм соответственно, с соответствующими ошибками --1,2-1,3% и --4,1-2,8%. Для S2, после того, как высота этапа была снижена на 10 мкм, средние значения по ширине и глубине шаблона изменились до 250,0 мкм и 129,8 мкм соответственно, с соответствующими ошибками в 2,0-2,0% и 1,8-1,1%. Для S3, после того как высота этапа была уменьшена еще на 10 мкм, средние значения по ширине и глубине шаблона изменились до 281,2 мкм и 141,3 мкм, с соответствующими ошибками в размере 3,1-3,8% и 3,3-2,6%.

Для ПВХ, в S1 средние значения ширины и глубины шаблона составили 236,4 мкм и 136,1 мкм соответственно, с соответствующими ошибками в 6,3-4,0% и --5,6-3,9%. Для S2, после того, как высота этапа была снижена на 10 мкм, средние значения ширины и глубины шаблона изменились до 250,8 мкм и 150,7 мкм соответственно, с соответствующими ошибками в 2,5-2,4% и 2,1-2,8%. Для S3, после того как высота этапа была уменьшена еще на 10 мкм, средние значения ширины и глубины шаблона изменились до 263,5 мкм и 159,2 мкм, с соответствующими ошибками в 6,7-11,7% и 5,0-7,5%.

Графики глубины и ширины шаблона для трех полимерных пленок показаны на рисунке 7. Высота этапа была уменьшена на 10 мкм на каждые три точечных узора от S1 до S3, так что ширина и глубина пленки увеличилась с S1 до S3. Максимальная погрешность была в диапазоне -6,7-11,7% для ПВХ, а минимальная - от -1,2-1,3% для ПММА. В заключение, ошибки в точках шаблоны для трех типов фильмов являются незначительными. Это показывает, что процесс горячего тиснения типа удара подходит для гравировки микропаттернов на полимерные пленки в режиме реального времени.

Figure 1
Рисунок 1: Дизайн технологии горячего тиснения типа удара. (A) 3D дизайн воздействия печати типа горячего тиснения процесса, (B) дизайн держателя пленки. Держатель пленки может двигаться в направлениях Движения 1 и Движения 2 и может быть использован для фиксации пленки или перемещения ее в сторону. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Схематическая конструкция схемы усилителя электроусилителя. На этом снимке шесть устройств используются для создания цепи: блок питания с двумя каналами, мощный рабочий усилитель (OP-AMP), устройство управления, ударный заголовок и два компонента сопротивления с различными значениями. Каждое устройство соединено в изображении, а линии соединения отображаются в различных цветах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Реализация процесса горячего тиснения типа удара и схемы управления. (A) Реализация воздействия печати типа горячего тиснения процесса, и (B) экспериментальные настройки системы управления Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Оборудование для микроскопов и ПЭТ-пленка с точечными узорами. (A) Конфокальный микроскоп оборудования для измерения ширины и глубины точечных узоров на полимерной пленки. (B) Точка моделей на ПЭТ-пленки. Девять шаблонов разделены на три секции из самой низкой глубины точечных шаблонов (S1, S2, S3), и каждая секция имеет три точки. Микрографы берутся с использованием 2D функции конфокального микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Двухмерные фотомикрографы с помощью конфокального микроскопа. (A) 2D фотомикрограф 50 мкм ПЭТ-пленки, (B) 2D фотомикрограф 175 PMMA фильм, и (C) 2D фотомикрограф 300 ПВХ фильм Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Двухмерные микрографы одного точечного узора и 3D-микрографы S1 с использованием режима LSM конфокального микроскопа. (A) 3D микрограф из трех точечных узоров и 2D-микрограф одной точки на 50-мкм толщиной ПЭТ-пленки. (B) 3D микрограф из трех точечных узоров и 2D-микрограф одной точки картины на 175-мкм толщиной PMMA пленки. (C) 3D микрограф из трех точечных узоров и 2D микрограф одной точки шаблона на 300-мкм толщиной ПВХ фильм Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7: Графики ширины и глубины шаблона для S1, S2 и S3 на трех полимерных пленках. Положение этапа была увеличена на 10 мкм на каждые три точечных шаблона от S1 до S3, и каждый график основан на данных, показанных в таблице 1. (A) Результат ширины шаблона и глубины рисунка для ПЭТ-пленки. (B) Результат ширины шаблона и глубины рисунка для пленки PMMA. (C) Результаты ширины шаблона и глубины рисунка для пленки ПВХ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Полимерная пленка Номер примера Средняя ширина шаблона (мкм) Среднее значение глубины шаблона (мкм) Ширина частоты ошибок (%) Глубина частоты ошибок (%)
Пленка из ПВХ S1 236.4 136.1 -6,3-4,0% -5,6-3,9%
S2 250.8 150.7 -2,5% и 2,4% -2,1-2,8%
S3 263.5 159.2 -6,7% и 11,7% -5.0-7.5%
Фильм PmMA S1 240.2 112.2 -1,2-1,3% -4,1-2,8%
S2 250 129.8 -2,0-2,0% -1,8-1,1%
S3 281.2 141.3 -3,1-3,8% -3,3-2,6%
ПЭТ Фильм S1 110.6 10.3 -5,6-6,2% -3,3-1,7%
S2 155.2 17 -5,2-2,8% -3.0-2.0%
S3 170.8 25.7 -2,8-4,2% -2,7-2,3%

Таблица 1: Результаты измерений девяти точечных шаблонов на трех полимерных пленках. Значения в таблице были измерены с помощью функции 3D измерения конфокального микроскопа и представляют средние значения ширины и глубины шаблона и ошибки шаблона для S1, S2 и S3.

Дополнительный файл 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этом исследовании мы внедрили процесс горячего тиснения типа удара и выгравированные точечные узоры с различной шириной и глубиной на ряд полимерных пленок в режиме реального времени. Среди этапов протокола следует критически рассмотреть два шага. Во-первых, это установление температуры тепловой пластины (шаг 3.3.3), а второй — установка исходного положения заголовка удара (шаг 3.5.1). В шаге 3.3.3, если температура тепловой пластины слишком высока, становится трудно сформировать шаблон, потому что вязкость пленки препятствует созданию тонкого узора. С другой стороны, если температура тепловой пластины слишком низкая, узор не выгравирован гладко. Фактор исходного положения заголовка удара имеет важное значение, поскольку положение заголовка удара связано с глубиной и шириной шаблона. Кроме того, если высота удара заголовок слишком низок, то заголовок удара столкнется с тепловой пластиной, причиняя ущерб как для перевертки, так и для тепловой пластины. Это повреждение не только изнашивается кончик апогея, но и оказывает негативное влияние на высоту и ширину узора, выгравированного на следующем этапе. По этим причинам во время этапов 3.3.3 и 3.5.1 следует тщательно учитывать температуру нагрева и состояние зажигания.

В более ранних работах по ударного типа горячего тиснения, точка узороченный процесс был использован с пленкой PMMA, с ошибками отклонения, происходящих из-за проблемы фиксации, связанной с полимерной пленкой15,16.15 Для решения этой проблемы была рассмотрена фиксация полимерной пленки с использованием держателей пленки по обе стороны тепловой пластины, и эта стратегия уменьшила погрешность по сравнению с предыдущими значениями. Было также показано, что точечные узоры с различной шириной и глубиной могут быть выгравированы на различных полимерных пленках, таких как ПЭТ-пленка и ПВХ-пленки, в режиме реального времени. Сравнивая частоту ошибок PMMA с показателями предыдущих процессов горячего тиснения, результаты каждой выборки пленки показали, что ошибки в ширине и глубине шаблона были значительно уменьшены.

Тем не менее, остались некоторые ошибки в точками моделей. Мы рассмотрели две причины этих ошибок. Первый связан с изменением поверхности из-за температуры перехода стекла полимерной пленки. Когда каждая пленка нагревается над температурой перехода стекла, поверхность полимерной пленки становится мягкой, и поверхность пленки немного повышается, даже если она остается фиксированной при использовании держателя пленки, вызывая ошибку. Чтобы предотвратить это, если температура тепловой пластины ниже температуры передачи стекла, сочетание молекулярной структуры полимерной пленки сильнее, но рисунок на полимерной пленке также не выгравирован. Таким образом, найти оптимальное значение для каждой соответствующей полимерной пленки с помощью повторных экспериментов является громоздким. Вторая причина - проблема дисбаланса тепловой пластины. Поверхность тепловой пластины, которая нагревает пленку во время горячего процесса тиснения, должна быть полностью горизонтальной, чтобы выгравировать высоту точечных узоров равномерно. Однако, если тепловая пластина слегка наклонена, ошибки в ширине шаблона или высоте шаблона будут возникать, когда шаблон использует другое положение. Чтобы решить эту проблему, мы считаем, что устройство, которое может сканировать высоту поверхности в режиме реального времени, должно быть прикреплено к заголовку удара. Необходимо провести дополнительные исследования сканирующих устройств для правильного измерения высоты поверхности.

Точность моделей, создаваемых предлагаемым процессом, также имеет ограничения. Ширина и глубина каждого узора зависят от диаметра кончика оперезателя (ударной головки) и глубины, на которой на полимерной пленке гравирует сятвицы. Диаметр кончика опере, используемого в этом процессе, составляет 9 мкм, а точность выгравированного рисунка имеет минимальную ширину рисунка 9 мкм. Тем не менее, существующие типа пластинки к пластине и ролл-к-ролл типа горячих тиснение процессов предлагают уровень точности шаблона в диапазоне нм. Это отсутствие точности шаблона может быть решена путем уменьшения диаметра кончика опровержа в заголовке удара. Существует недостаточно исследований до сих пор на механических или химических процессов для обработки груза советы в нм единиц. Если исследования механических или химических процессов будут проведены таким образом, чтобы наконечник груза мог быть обработан в нм единицах, ожидается, что эти ограничения будут преодолены. Тем не менее, в отличие от обычных методов, предлагаемый процесс позволяет вносить изменения в шаблон гравировки в режиме реального времени с помощью заголовка удара, и это дает преимущество изменения нового шаблона или замены шаблона, если ошибочный процесс найден.

Затем мы сравнили скорость обработки предлагаемого процесса с существующей процессом горячего тиснения типа roll-to-roll. Для обычного типа рулона в рулон скорость процесса составляет 10 мм/с12. Предлагаемый тип воздействия горячего тиснения процесс предлагает частоту производительности 6 Гц-10 Гц. Если на 10-миллиметровой полимерной пленке предполагается десять точек, то скорость обработки составляет 6 мм/сек, а максимальная - 10 мм/с. В результате скорость обработки будет варьироваться в зависимости от шаблона, требуемого пользователем. Таким образом, этот процесс может быть применен к массовому производству и к различным производственным процессам продукции и малообъемных производств.

Если мы будем продолжать развивать нашу современную технологию, она сможет выгравировать непрерывные модели в дополнение к точечным моделям. Гравировка непрерывных шаблонов может быть полезна различными способами. Например, путем размещения электрических элементов или путем нанесения проводящих чернил на выгравированный узор, можно изготовить микроэлектрическую цепь. Примечательно, что, поскольку этот процесс связан с работой по гравировке микро- или нанопаттернов на полимерных пленках, его можно применять для производства гибких устройств. Кроме того, поскольку наш метод похож на существующие горячие процессы тиснения, эта работа может быть использована для производства гибких медных ламинатов (FCCLs) или гибких печатных плат (FPCB). Кроме того, для того, чтобы применить процесс горячего тиснения типа удара к более широкому кругу материалов, таких как носимые устройства или датчики, необходимо изменить точечный шаблон, используя различные ширины и глубины в зависимости от устройства. Эффект печати типа горячего тиснения процесс, исследованный здесь имеет то преимущество, что в состоянии выгравировать различные узоры при регулировке ширины и глубины моделей в режиме реального времени. Кроме того, технология, упомянутая в протоколе, использует более простой процесс, чем обычный процесс шаблонирования. Поэтому мы убеждены, что технология горячего тиснения печатного типа воздействия может быть распространена не только на массовое производство, но и на мелкое серийное производство в будущем.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать

Acknowledgments

Это исследование поддерживается проектом под названием "Развитие технологии горячего тиснения печатного типа воздействия для проводящего слоя с использованием проводящих нанокомпозитных материалов" через Министерство торговли, промышленности и энергетики Кореи (N046100024, 2016).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.3mm High Quality Clear Rigid Packaging PVC Film Roll For Vacuum Forming Sunyo SY1023 PVC film / Thickness : 300µm
Acryl(PMMA) film SEJIN TS C200 PMMA film / Thickness : 175µm
Confocal Laser Scanning Microscope: 3D-Topography for Materials Analysis and Testing Carl Zeiss LSM 700 3D confocal microscope / Supporting Mode : 2D, 2.5D, 3D topography
DAQ board NATIONAL INSTRUMENTS USB-6211 Control board for two stage and impact header / 16 inputs, 16-bit, 250kS/s, Multifunction I/O
DC Power Supply SMART RDP-305AU 3 channel power supply / output voltage : 0~30V, Output current : 0~5A
L511 stage PI L511.20SD00 Z-stage / Travel range : 52mm
Large Digital Hotplate DAIHAN Scientific HPLP-C-P Heatplate / Max Temp : 350ºC
M531 stage PI M531.2S1 X-stage / Travel range : 306mm
Mylar Polyester PET films CSHyde 48-2F-36 PET film / Thickness : 50µm
OPA2541 BURR-BROWN OPA2541BM OP-AMP / Output currents : 5A, output voltage : ±40V

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lee, S. Y., et al. 2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC). IEEE. , 1-3 (2019).
  2. Yang, D., Pan, L., Mu, T., Zhou, X., Zheng, F. The fabrication of electrochemical geophone based on FPCB process technology. Journal of Measurements in Engineering. 5 (4), 235-239 (2017).
  3. Fukuda, K., et al. Fully printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films. Nature Communications. 5, 4147 (2014).
  4. Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nature Materials. 9 (12), 1015 (2010).
  5. Zamkotsian, F., Dohlen, K., Burgarella, D., Ferrari, M., Buat, V. International Conference on Space Optics-ICSO 2000. International Society for Optics and Photonics. , 105692A (2019).
  6. Zhang, X., Li, Z., Zhang, G. High performance ultra-precision turning of large-aspect-ratio rectangular freeform optics. CIRP Annals. 67 (1), 543-546 (2018).
  7. Ziaie, B., Baldi, A., Lei, M., Gu, Y., Siegel, R. A. Hard and soft micromachining for BioMEMS: review of techniques and examples of applications in microfluidics and drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 56 (2), 145-172 (2004).
  8. Mishra, S., Yadava, V. Laser beam micromachining (LBMM)-a review. Optics and Lasers in Engineering. 73, 89-122 (2015).
  9. Yun, D., et al. Development of roll-to-roll hot embossing system with induction heater for micro fabrication. Review of Scientific Instruments. 83 (1), 015108 (2012).
  10. Keränen, K., et al. Roll-to-roll printed and assembled large area LED lighting element. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 81 (1-4), 529-536 (2015).
  11. Park, J., Lee, J., Park, S., Shin, K. H., Lee, D. Development of hybrid process for double-side flexible printed circuit boards using roll-to-roll gravure printing, via-hole printing, and electroless plating. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 82 (9-12), 1921-1931 (2016).
  12. Rank, A., Lang, V., Lasagni, A. F. High-Speed Roll-to-Roll Hot Embossing of Micrometer and Sub Micrometer Structures Using Seamless Direct Laser Interference Patterning Treated Sleeves. Advanced Engineering Materials. 19 (11), 1700201 (2017).
  13. Shan, X., Liu, T., Mohaime, M., Salam, B., Liu, Y. Large format cylindrical lens films formed by roll-to-roll ultraviolet embossing and applications as diffusion films. Journal of Micromechanics and Microengineering. 25 (3), 035029 (2015).
  14. Wang, X., Liedert, C., Liedert, R., Papautsky, I. A disposable, roll-to-roll hot-embossed inertial microfluidic device for size-based sorting of microbeads and cells. Lab on a Chip. 16 (10), 1821-1830 (2016).
  15. Yun, D., et al. Impact Print-Type Hot Embossing Process Technology. Advanced Engineering Materials. 20 (9), 1800386 (2018).
  16. Ahn, J., Yun, D. Analyzing Electromagnetic Actuator based on Force Analysis. 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2019).

Tags

Инженерия Выпуск 158 удар заголовок горячее тиснение отпечаток воздействие тиснение тонкий рисунок выгравировать шаблон
Изучение процесса узоризации точек на гибких материалах с использованием технологии горячего эмбоссирования Impact Print
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, M., Ahn, J., Bae, J., Song, J., … More

Kim, M., Ahn, J., Bae, J., Song, J., Kim, D., Yun, D. Study of a Dot-patterning Process on Flexible Materials using Impact Print-Type Hot Embossing Technology. J. Vis. Exp. (158), e60694, doi:10.3791/60694 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter