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Engineering

Estudo de um processo de padronização de ponto em materiais flexíveis usando tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto

doi: 10.3791/60694 Published: April 6, 2020

Summary

A tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto usa um cabeçalho de impacto para gravar padrões de ponto em materiais flexíveis em tempo real. Esta tecnologia tem um sistema de controle para controlar o movimento on-off e a posição do cabeçalho de impacto para criar padrões de pontilhamento com várias larguras e profundidades em diferentes pelímeros de polímero.

Abstract

Aqui apresentamos nosso estudo sobre um processo de relevo quente do tipo impressão de impacto que pode criar padrões de ponto com vários projetos, larguras e profundidades em tempo real em filme de polímero. Além disso, implementamos um sistema de controle para o movimento on-off e posição do cabeçalho de impacto para gravar diferentes padrões de pontuação. Realizamos padronização de dot em vários filmes de polímero, como filme de poliéster (PET), filme polimetil metacrilato (PMMA) e filme de cloreto de polivinil (PVC). Os padrões de ponto foram medidos usando um microscópio confocal, e confirmamos que o processo de relevo quente tipo impressão de impacto produz menos erros durante o processo de padronização de pontos. Como resultado, o processo de relevo quente tipo impressão de impacto é considerado adequado para gravura de padrões de ponto em diferentes tipos de filmes de polímero. Além disso, ao contrário do processo convencional de relevo quente, este processo não usa um carimbo de relevo. Portanto, o processo é simples e pode criar padrões de pontos em tempo real, apresentando vantagens únicas para a produção em massa e a produção em lote de pequena quantidade.

Introduction

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Os pesquisadores estão ativamente tentando miniaturizar dispositivos e displays existentes e aumentar a flexibilidade desses dispositivos1,2. Para reduzir a largura e a profundidade dos canais elétricos à escala micro ou nano, é necessária uma tecnologia de alta precisão. Além disso, para aumentar a flexibilidade desses dispositivos, os padrões dos canais elétricos devem estar localizados em um material flexível, como uma película de polímero3,4. Para atender a essas condições, o estudo da tecnologia de microprocessamento ultrafino está ativamente em andamento.

A tecnologia de microfabricação ultrafina tem uma vantagem em que os possíveis materiais de padronização incluem não apenas materiais altamente rígidos, como ferro ou plástico, mas também materiais macios, como filmes de polímeros. Devido a essas vantagens, essa tecnologia é amplamente utilizada como um processo central em diversos campos, como comunicações, química, óptica, aeroespacial, semicondutores e sensores5,6,7. No campo de microprocessamento ultrafino, são utilizados métodos de microprocessamento LIGA (litografia, eletroplação e moldagem) ou de micromachinagem8. No entanto, esses métodos convencionais estão associados a vários problemas. Os métodos LIGA requerem uma quantidade considerável de tempo e várias etapas de processo para criar padrões ultrafinos e incorrer em um alto custo também, porque eles precisam de muitos tipos diferentes de equipamentos durante os processos. Além disso, os métodos liga usam produtos químicos que podem poluir o meio ambiente.

Para resolver esse problema, a tecnologia de processo de relevo quente tem sido destacada entre as tecnologias de microprocessos ultrafinos. O relevo quente é uma tecnologia que cria um padrão em um filme de polímero aquecido usando um molde de relevo micro ou nanoescala. A tecnologia convencional de relevo quente é dividida no tipo de placa e tipo rolo-a-rolo, dependendo da forma do molde. Os dois tipos de tecnologia de relevo quente são diferentes em termos da forma do molde, mas esses dois processos são semelhantes em que o molde de relevo pressiona o filme de polímero em uma placa aquecida para gravar um padrão no filme polímero. Para gravar o padrão usando o processo de relevo quente, é necessário aquecer a película de polímero acima da temperatura de transição do vidro e aplicar uma quantidade adequada de pressão (~30-50 MPa)9. Além disso, a largura e a profundidade do padrão mudam dependendo da temperatura da placa aquecida, do material e da forma do molde de relevo. Além disso, o método de resfriamento após o processo de padronização afeta a forma do padrão na película de polímero.

No processo convencional de relevo quente, os selos ou rolos de relevo podem ser gravados com o padrão desejado, e o molde de relevo pode ser usado para imprimir o mesmo padrão em superfícies de filme de polímero continuamente. Esta característica torna este processo adequado não só para a produção em massa, mas também para a fabricação de dispositivos com materiais macios, como as pelídeas de polímero10,,11,,12,,13,,14. No entanto, o método convencional de relevo quente só pode criar o único padrão gravado no molde de relevo. Portanto, quando o usuário quer fazer um novo padrão ou modificar o padrão, ele deve fazer um novo molde para modificar o padrão de impressão. Por essa razão, o relevo quente convencional é caro e demorado ao criar novos padrões ou substituir os projetos existentes.

Trabalhos anteriores introduziram o processo de relevo quente do tipo impacto para produzir padrões de ponto com várias larguras e profundidades em tempo real15. Ao contrário do processo convencional de relevo quente, o método de relevo quente tipo impressão de impacto usa um cabeçalho de impacto para criar padrões na película de polímero. Esta tecnologia move o cabeçalho de impacto para a posição desejada com um sistema de posicionamento de precisão. Um sinal de controle é aplicado a padrões de impressão em uma largura e profundidade desejadas e em uma posição arbitrária. A estrutura do cabeçalho de impacto consiste em um motor, uma mola, um enrolamento de bobinas e um núcleo (ver Figura 1A)15. Trabalhos anteriores confirmaram através de uma análise e experimento que tal cabeçalho de impacto pode produzir a força adequada para a relevo quente16. O protocolo deste papel abrange o design do hardware para o processo de relevo quente do tipo impacto e o ambiente de controle para controle de processos. Além disso, analisamos os padrões de ponto em filme PET, filme PMMA e filme de PVC, todos processados com o protocolo proposto para verificar se o processo de relevo quente tipo impressão de impacto pode criar padrões de ponto com várias larguras e profundidades em tempo real. Os resultados desses experimentos são apresentados abaixo na seção de resultados, confirmando que o processo de relevo pode produzir adequadamente padrões ultrafinos.

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Protocol

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1. Fabricação do processo de relevo quente tipo impressão de impacto

  1. Faça o modelo 1 e combine-o com um estágio X (ver Figura 1).
    NOTA: Recomenda-se que o Modelo 1 seja feito de alumínio para evitar que o calor seja conduzido para o estágio X. Além disso, recomenda-se que o comprimento do Modelo 1 seja a distância entre a superfície da placa de calor e a altura mais baixa da placa de rolamento do estágio Z, pois o design do Modelo 1 varia com o tamanho da placa de calor.
  2. Combine o estágio X e o estágio Z e monte o estágio Z e o Modelo 2.
    NOTA: Certifique-se de que o Modelo 2 é feito de um metal que pode suportar o calor da placa de calor (por exemplo, alumínio). A fixação do Modelo 2 ao estágio Z garantirá fortemente a capacidade do estágio Z de segurar o peso do Modelo 2 e o cabeçalho de impacto.
  3. Combine o Modelo 2 e o cabeçalho de impacto e coloque a placa de calor abaixo do Modelo 1.
    NOTA: A junção do cabeçalho de impacto com a posição mais baixa no Modelo 2 garantirá que o motor atinja a superfície da placa de calor. Recomenda-se instalar a placa de calor depois de elevar o estágio Z ao máximo para evitar qualquer contato da cabeça de impacto com a superfície da placa de calor. Use um software adequado para controlar o estágio.
  4. Converta os arquivos STL do titular do filme(Arquivo Suplementar 1 e Arquivo Suplementar 2) em arquivos GCODE usando software adequado para imprimir o suporte de filme com uma impressora tridimensional (3D).
    NOTA: O software pode variar de acordo com a impressora 3D usada, e alguns ambientes podem suportar ambientes de impressora 3D sem conversão GCODE.
  5. Use a impressora 3D para imprimir o suporte de filme com o arquivo GCODE.
    NOTA: O uso de um filamento (por exemplo, Z-HIPS) é recomendado porque ocorrerá menos contração ao imprimir peças grandes, como o suporte de filme.
  6. Instale dois suportes de filme na extremidade da placa de calor e fixe a película de polímero no suporte do filme, conforme mostrado na Figura 1. Para garantir que a película de polímero esteja plana sobre a placa de calor, puxe a película de polímero o máximo possível usando o movimento 1 do suporte de filme (ver Figura 1B). Para mover a película de polímero para o lado, mova o suporte do filme através do movimento 2 (ver Figura 1B).
    NOTA: Para fixar a película de polímero no porta-filme, recomenda-se usar um parafuso. A cola é insuficiente para fixar o filme de polímero no porta-filme, e é melhor para o desprendimento do filme de polímero após o experimento de padronização.

2. Fabricação do circuito de controle

NOTA: Este processo descreve o processo de construção do circuito de controle do cabeçalho de impacto e do estágio X-Z.

  1. Conecte o dispositivo de controle que envia os sinais (ver Tabela de Materiais) ao cabeçalho de impacto para controlá-lo.
  2. Depois de conectar o dispositivo de controle ao cabeçalho de impacto, entre -3 V e +10 V como sinais de controle no cabeçalho de impacto.
    NOTA: Se um sinal de controle +10 V for enviado para o cabeçalho de impacto (ver Figura 1),o mover (cabeça de impacto) descerá e entra no estado de ativação. Neste estado, o motor atinge o filme polimérico e grava o padrão no filme de polímero.
    1. Levante o motor para gravar o próximo padrão depois de gravar um padrão usando o motor do cabeçalho de impacto. Para elevar o motor (cabeça de impacto), aplique o sinal de controle -3 V.
      NOTA: Uma tensão negativa é inserida no cabeçalho de impacto para evitar que o motor se torne magnetizado pelo fluxo remanescente interno do cabeçalho de impacto.
  3. Se o dispositivo de controle não puder fornecer um sinal de controle suficiente, use um amplificador de operação de alta potência (por exemplo, OP-AMP) que amplifica o sinal de controle ~0 V-5 V para ~-3 V–+10 V, como mostrado na Figura 2, para controlar o cabeçalho de impacto.
    1. Primeiro, prepare uma fonte de alimentação DC de dois canais (ver Tabela de Materiais). Após esta etapa, conecte quatro nós para fornecer nós comuns (GND) a todos os canais: um terminal de tensão positivo (V1+) e um terminal de terra (GND) para o canal 1 e um terminal de tensão negativa (V2-) e terra (GND) para o canal 2. Um diagrama de conexão global é mostrado na Figura 2.
      NOTA: De acordo com a etapa descrita em 2.3.1, a tensão positiva e negativa com diferentes valores absolutos pode ser fornecida ao amplificador operacional (OP-AMP).
    2. Conecte o terminal de tensão negativa do canal 1 (V1-) da fonte de alimentação ao terminal de tensão de alimentação negativa (Vs-) do OP-AMP, conforme indicado pela linha azul na Figura 2. Posteriormente, insira 3 V V tensão vcc para o canal 1.
      NOTA: De acordo com a etapa 2.3.1, a tensão de 3 V V é fornecida como tensão negativa de -3 V ao terminal de tensão de alimentação negativa (Vs-) do OP-AMP.
    3. Conecte o terminal de tensão positivo do canal 2 (V2+) da fonte de alimentação ao terminal de tensão de alimentação positivo (Vs+) do OP-AMP, conforme indicado pela linha vermelha na Figura 2. Posteriormente, insira tensão de 10 V Vcc para o canal 2.
      NOTA: De acordo com a etapa 2.3.1, a tensão de 10 V Vcc é fornecida como +10 V de tensão positiva para o terminal de tensão de alimentação positiva (Vs+) do OP-AMP.
    4. Conecte o canal +output de um dispositivo de controle (Vcon+) ao canal de entrada positivo (Vin+) do OP-AMP, conforme mostrado pela linha verde na Figura 2.
    5. Conecte o canal de saída de um dispositivo de controle (Vcon-) ao solo (GND) do canal 2 da fonte de alimentação, como mostrado pela linha preta na Figura 2.
      NOTA: Ao conectar o (Vcon-) ao solo (GND), é possível conectá-lo a um dos terminais conectados durante a etapa 2.3.1, além do GND do canal 2.
    6. Prepare a resistência elétrica de 1 kΩ e 10 kΩ em cada caso e conecte-os entre a linha vermelha e a linha preta, conforme mostrado na Figura 2.
    7. Conecte o terminal entre 1 kΩ e 10 kΩ ao canal de entrada negativo do OP-AMP (Vin-), como mostrado pela linha roxa na Figura 2.
    8. Retire as linhas do canal de saída do OP-AMP (Vout) e de um dos terminais elétricos descritos na etapa 2.3.1. Conecte as linhas ao cabeçalho de impacto, como mostrado pela linha laranja na Figura 2.
    9. Em relação à fonte de alimentação, defina as tensões do canal 1-3 Vcc e do canal 2-10 Vcc. Posteriormente, gere sinais de controle de ~0 V-5 V a partir do dispositivo de controle.
      NOTA: Os sinais de controle gerados ~0 V-5 V serão amplificados pelo OP-AMP para ~-3 V–+10 V, o que é necessário para controlar o cabeçalho de impacto conforme descrito nas etapas 2.2.1 e 2.2.2.

3. Projeto de experimento

NOTA: Esta seção descreve os processos de controle do dispositivo de relevo quente do tipo impacto e dos padrões de ponto de gravação na filme do polímero.

  1. Instale um programa de controle de etapas (por exemplo, Micromove) para controlar o estágio X e o estágio Z usando um computador de controle (PC).
  2. Instale o software do driver DAQ para detectar o dispositivo de controle no PC de controle que controla o cabeçalho de impacto e instale um programa operacional (por exemplo, MATLAB) para controlar o dispositivo de controle.
  3. Após a instalação do software, construa o ambiente de hardware como mostrado na Figura 3A para conduzir o experimento de padronização.
    1. Instale o estágio X, o estágio Z, o cabeçalho de impacto, o suporte de filme e a placa de calor, conforme mostrado na Figura 3A, para construir o ambiente de hardware.
    2. Fixar a película de polímero no suporte do filme e ajustar a posição da película de polímero usando os movimentos 1 e 2 (ver Figura 1B) para fixar o filme de forma fixa.
      NOTA: Para manter a película plana enquanto ajusta a direção 2, os locais dos dois suportes de filme devem ser paralelos. Para deixar a película plana na placa de calor, recomenda-se ajustar o suporte da película baixando a posição de acordo com a direção 1, conforme mostrado na Figura 1B.
    3. Depois de fixar a película de polímero, ajuste a temperatura da placa de calor para aquecer a película acima da temperatura de transição do vidro.
      NOTA: Cada tipo de filme tem sua própria temperatura de transição de vidro. Portanto, recomenda-se ajustar a temperatura da placa de calor à sua própria temperatura de transição de vidro após verificar as propriedades materiais da película na folha de dados correspondente.
  4. Depois de definir o hardware, coloque o circuito de controle junto como mostrado na Figura 3B para controlar o estágio e o cabeçalho de impacto.
    1. Prepare o PC, a placa de controle, a fonte de alimentação e o OP-AMP para construir o ambiente de controle, conforme mostrado na Figura 3B. Conecte os dispositivos como mostrado na Figura 2 e, em seguida, conecte o computador à placa de controle.
    2. Insira os valores de 3 Vcc e 10 Vcc em um OP-AMP através dos canais 1 e 2 da fonte de alimentação, respectivamente, conforme descrito na etapa 2.3.9.
  5. Controle o palco e o cabeçalho de impacto usando o computador de controle.
    1. Ajuste a posição inicial do cabeçalho de impacto controlando os estágios X e Z usando o programa de controle de estágio.
      NOTA: Ao ajustar a posição inicial do cabeçalho de impacto, certifique-se de que não há colisão entre o cabeçalho de impacto e a placa de calor. Se a posição do estágio Z for muito baixa, o motor colidirá com a placa de calor, danificando tanto o motor quanto a placa de calor. Se houver danos em ambos os dispositivos, isso dificultará a criação de padrões finos em um material polimérico.
    2. Usando o programa operacional, gere um sinal de controle de 5 V a partir do dispositivo de controle. De acordo com as etapas 2.3.1-2.3.9, o OP-AMP amplificará o sinal de controle de 5 V para +10 V, ligará o cabeçalho de impacto e gravará os padrões na película de polímero.
    3. Agora gere um sinal de controle de 0 V a partir do dispositivo de controle usando o programa operacional. De acordo com as etapas 2.3.1-2.3.9, o OP-AMP amplificará o sinal de controle de 0 V para -3 V e desligará o cabeçalho de impacto.
      NOTA: O motor do cabeçalho de impacto será levantado, esperando para gravar o novo padrão.
    4. Mova o estágio X para a posição para gravar o próximo padrão.
    5. Gravar padrões 3x na filme de polímero repetindo os passos 3.5.1-3.5.4 sequencialmente.
    6. Baixe o estágio Z 10 μm da posição inicial e execute o passo 3.5.5, contando o número de movimentos do estágio Z. Quando o número de movimentos do estágio Z exceder três, mova o estágio X para a posição inicial e eleve o cabeçalho de impacto ao máximo movendo o estágio Z.
      NOTA: Alterar a altura do estágio Z garantirá ajustes na profundidade e largura do padrão de dostes.
  6. Desconecte a película de polímero do suporte de filme e meça a largura e a profundidade de cada padrão usando um microscópio confocal (ver Tabela de Materiais),conforme mostrado na Figura 4A.
    1. Antes de iniciar o processo de medição, selecione o valor de ampliação do microscópio e use o modo de observação direta inicialmente para ajustar a posição de varredura da película de polímero. Depois de ajustar a posição por meio de observação direta, fixe a película de polímero e altere o modo de digitalização para o modo de escaneamento a laser.
      NOTA: Ao utilizar o microscópio confocal, recomenda-se o uso de um painel acrílico para fixar a amostra, conforme mostrado na Figura 4B.
    2. Usando o modo de escaneamento a laser, meça a profundidade e a largura do padrão de ponto.
  7. Repita as etapas 3.3.2-3.6.2 depois de alterar o tipo de filme.
    NOTA: Considerando a temperatura de transição de vidro de cada tipo de filme, defina a temperatura da placa de calor antes de colocar cada filme na placa de calor. Neste estudo, a temperatura de transição de vidro da película de PVC é de 100 °C; para filme PMMA é 95 °C, e para filme PET é 75 °C.

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Representative Results

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O processo de relevo quente do tipo impressão de impacto é um processo que pode ser usado para gravar padrões de ponto em um filme de polímero em tempo real, como mostrado na Figura 1. Este processo pode resolver os problemas do alto custo e longos tempos para substituição de padrões associados ao processo de relevo quente existente. Um circuito de controle foi construído, como mostrado na Figura 2 (ver etapas 2.3-2.3.9), usando o DAQ, OP-AMP e fonte de alimentação para esculpir padrões em vários tipos de filmes de polímero pela implementação do cabeçalho de impacto durante a operação on-off. O processo de relevo quente do tipo de impressão de impacto implementado é mostrado na Figura 3.

Em estudos anteriores de relevo quente do tipo impressão de impacto, apenas experimentos em filmes PMMA foram validados, enquanto nenhum outro filme de polímero foi testado. A fim de verificar que o relevo quente tipo impressão de impacto pode gravar padrões em outros filmes de polímero em tempo real, experimentos foram realizados usando filme PMMA, filme de PVC e filme PET. A altura do cabeçalho de impacto foi reduzida em 10 μm para cada três pontos usando um estágio Z, e testamos se nove pontos poderiam formar um padrão de ponto com várias alturas nos três tipos de filmes. Utilizando-se o equipamento mostrado na Figura 3,um padrão de ponto foi criado nas três pelísicas de polímero, e um microscópio confocal foi usado para observar o padrão (ver passo 3.6).

O padrão de dot é mostrado na Figura 4B. Como mostrado na Figura 4B,nove pontos foram utilizados, e o tamanho do padrão aumentou de Amostra 1 (S1) para Amostra 3 (S3) porque a altura do estágio Z diminuiu em 10 μm. Neste caso, imagens bidimensionais (2D) pelo microscópio confocal das três películas de polímero são mostradas na Figura 5. A imagem 2D na Figura 5 mostra a porção S1 de cada padrão. Figura 5A mostra uma amostra de filme PET de 50 μm de espessura, a Figura 5B mostra uma amostra de filme PMMA de 175 μm de espessura, e a Figura 5C mostra uma amostra de filme de PVC de 300 μm de espessura. A Figura 6 mostra micrografos 2D de um padrão de ponto e micrografos 3D de S1 usando o modo de varredura a laser (LSM) do microscópio confocal. Como mostrado na Figura 6,pudemos medir a largura do padrão e a profundidade de cada padrão de denota, e o padrão era claramente observável através da imagem 2D de um único dote.

Os resultados de largura e profundidade dos nove padrões de pontos nas três pelísicas de polímero usando a função 3D do microscópio confocal são mostrados na Tabela 1. O filme PET é mais fino que os outros filmes de polímero. Por isso, criamos a amostra cuidadosamente para que o cabeçalho de impacto não tocasse na placa de calor quando o estágio Z fosse ajustado. Para o PET, em S1 os valores médios de largura e profundidade do padrão foram de 110,6 μm e 10,3 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-5,6-6,2% e ~-3,3-1,7%. Para S2, após a altura do estágio Z ter sido diminuída em 10 μm, os valores médios para a largura e profundidade do padrão mudaram para 155,2 μm e 17,0 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-5.2-2.8% e ~-3.0-2.0%. Para a S3, após a altura do estágio Z ter sido diminuída em outros 10 μm, os valores médios para a largura e profundidade do padrão mudaram para 170,8 μm e 25,7 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-2.8-4.2% e ~-2.7-2.3%.

Para pmma, em S1 os valores médios de largura e profundidade do padrão foram de 240,2 μm e 112,2 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-1,2-1,3% e ~-4,1-2,8%. Para S2, após a altura do estágio Z ter diminuído em 10 μm, os valores médios para a largura e profundidade do padrão mudaram para 250,0 μm e 129,8 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-2,0-2,0% e ~-1,8-1,1%. Para a S3, após a altura do estágio Z ter sido diminuída em outros 10 μm, os valores médios para a largura e profundidade do padrão mudaram para 281,2 μm e 141,3 μm, com erros correspondentes de ~-3.1-3.8% e ~-3.3-2.6%.

Para PVC, em S1 os valores médios de largura e profundidade do padrão foram de 236,4 μm e 136,1 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-6,3-4,0% e -~5,6-3,9%. Para S2, após a altura do estágio Z ter sido diminuída em 10 μm, os valores médios de largura e profundidade do padrão mudaram para 250,8 μm e 150,7 μm, respectivamente, com erros correspondentes de ~-2,5-2,4% e ~-2.1-2,8%. Para a S3, após a altura do estágio Z ter sido diminuída em outros 10 μm, os valores médios da largura e profundidade do padrão mudaram para 263,5 μm e 159,2 μm, com erros correspondentes de ~-6,7-11,7% e ~-5,0-7,5%.

Gráficos da profundidade e largura do padrão para as três pelídeas de polímero são mostrados na Figura 7. A altura do estágio Z foi reduzida em 10 μm para cada três padrões de ponto de S1 para S3, de modo que a largura e profundidade do filme aumentou de S1 para S3. O erro máximo foi na faixa de -6,7-11,7% para PVC e o erro mínimo variou de -1,2 a 1,3% para PMMA. Em conclusão, os erros nos padrões de dostes para os três tipos de filmes são menores. Isso mostra que o processo de relevo quente tipo impressão de impacto é adequado para gravar micropadrões em filmes de polímero em tempo real.

Figure 1
Figura 1: Design da tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto. (A) Um design 3D do processo de relevo quente tipo impressão de impacto,(B) design do porta-filme. O suporte de filme pode mover-se nas direções de Movimento 1 e Movimento 2 e pode ser usado para corrigir o filme ou para movê-lo para o lado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Projeto esquemático do circuito do amplificador de eletricidade. Nesta imagem, seis dispositivos são usados para criar o circuito: uma fonte de alimentação com dois canais, um amplificador operacional de alta potência (OP-AMP), um dispositivo de controle, um cabeçalho de impacto e dois componentes de resistência com valores diferentes. Cada dispositivo está conectado na imagem, e as linhas de conexão são mostradas em várias cores. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Implementação do processo de relevo e controle de relevo quente tipo impressão de impacto. (A) Implementação do processo de relevo quente do tipo impressão de impacto e (B) configurações experimentais do sistema de controle Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Equipamento de microscópio confocal e película PET com padrões de pontos. (A) Equipamento de microscópio confocal para medir as larguras e profundidades de padrão dos padrões de ponto na película de polímero. (B) Padrões de pontilhados no filme PET. Os nove padrões são divididos em três seções da menor profundidade dos padrões de pontos (S1, S2, S3), e cada seção tem três pontos. Micrografias são tomadas usando a função 2D do microscópio confocal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Fotomicrografos bidimensionais usando microscópio confocal. (A) Um fotomicrografo 2D do filme PET de 50 μm,(B)fotomicrografo 2D do filme 175 PMMA, e(C) fotomicrografo 2D do filme de 300 PVC Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Micrografos bidimensionais de um padrão de ponto e micrografos 3D de S1 usando o modo LSM do microscópio confocal. (A)Um micrografo 3D de três padrões de ponto e um micrografo 2D de um padrão de ponto no filme PET de 50 μm de espessura. (B) Um micrografo 3D de três padrões de ponto e um micrografo 2D de um padrão de ponto no filme PMMA de 175 μm de espessura. (C ) Um micrografo 3D de três padrões de ponto e um micrografo 2D de um padrão de ponto na película de PVC de 300 μm de espessura Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura. C

Figure 7
Figura 7: Gráficos das larguras e profundidades do padrão para S1, S2 e S3 em três pelísicos de polímero. A posição do estágio Z foi aumentada em 10 μm para cada três padrões de ponto de S1 para S3, e cada gráfico é baseado nos dados mostrados na Tabela 1. (A) O resultado da largura do padrão e da profundidade do padrão para a película PET. (B) O resultado da largura do padrão e da profundidade do padrão para a película PMMA. (C) Os resultados da largura do padrão e da profundidade do padrão para a película de PVC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Filme de polímero Número da amostra Média da largura do padrão (μm) Média da profundidade do padrão (μm) Largura da taxa de erro (%) Profundidade da taxa de erro (%)
Filme de PVC S1 236.4 136.1 -6,3~4,0% -5,6 ~3,9%
S2 250.8 150.7 -2,5%~2,4% -2,1 ~2,8%
S3 263.5 159.2 -6,7%~11,7% -5,0~7,5%
PmMA Filme 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%
Filme PET 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%

Tabela 1: Resultados de medição de nove padrões de pontos em três pelídeos polímeros. Os valores na tabela foram medidos utilizando-se a função de medição 3D do microscópio confocal e representam os valores médios das larguras e profundidades do padrão e os erros de padrão para S1, S2 e S3.

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Discussion

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Neste estudo, implementamos o processo de relevo quente tipo impressão de impacto e padrões de pontos gravados com várias larguras e profundidades em uma gama de filmes de polímeros em tempo real. Entre as etapas do protocolo, duas etapas devem ser consideradas criticamente entre todas as etapas. A primeira é a definição da temperatura da placa de calor (passo 3.3.3), e a segunda é a definição da posição inicial do cabeçalho de impacto (passo 3.5.1). Na etapa 3.3.3, se a temperatura da placa de calor for muito alta, torna-se difícil formar um padrão porque a viscosidade do filme dificulta a criação de um padrão fino. Por outro lado, se a temperatura da placa de calor for muito baixa, o padrão não está gravado suavemente. O fator da posição inicial do cabeçalho de impacto é importante porque a posição do cabeçalho de impacto está relacionada com a profundidade e largura do padrão. Além disso, se a altura do cabeçalho de impacto for muito baixa, o motor do cabeçalho de impacto colidirá com a placa de calor, causando danos tanto ao motor quanto à placa de calor. Este dano não só desgasta a ponta do motor, mas também tem um efeito adverso na altura e largura do padrão gravado na próxima etapa. Por essas razões, durante as etapas 3.3.3 e 3.5.1, a temperatura de aquecimento e a condição de ignição devem ser cuidadosamente consideradas.

Em trabalhos anteriores sobre relevo quente do tipo impacto, foi utilizado um processo de padronização de ponto com filme PMMA, com erros de desvio ocorridos devido a um problema de fixação associado à película de polímero15,16. Para resolver este problema, foi considerada a fixação da película de polímero usando suportes de filme em ambos os lados da placa de calor, e essa estratégia reduziu o erro em comparação com os valores anteriores. Também foi mostrado que padrões de dot com várias larguras e profundidades podem ser gravados em vários filmes de polímero, como películas PET e filmes de PVC, em tempo real. Comparando a taxa de erro do PMMA com as dos processos anteriores de relevo quente, os resultados de cada amostra de filme mostraram que os erros nas larguras e profundidades do padrão foram significativamente reduzidos.

No entanto, restou algum erro nos padrões de pontilhados. Consideramos duas causas para esses erros. O primeiro está relacionado com a mudança da superfície devido à temperatura de transição de vidro da filme de polímero. Quando cada filme é aquecido acima de sua temperatura de transição de vidro, a superfície da película de polímero torna-se macia, e a superfície do filme sobe ligeiramente mesmo se permanecer fixa da utilização do suporte de filme, causando um erro. Para evitar isso, se a temperatura da placa de calor for menor do que a temperatura de transferência de vidro, a combinação da estrutura molecular da película de polímero é mais forte, mas o padrão na película de polímero também não está gravado. Portanto, é complicado encontrar o valor ideal para cada filme polímero correspondente através de experimentos repetidos. A segunda causa é o problema de desequilíbrio da placa de calor. A superfície da placa de calor que aquece o filme durante o processo de relevo quente deve ser totalmente horizontal para gravar a altura dos padrões de ponto uniformemente. No entanto, se a placa de calor estiver ligeiramente inclinada, erros na largura do padrão ou altura do padrão ocorrerão quando o padrão usar uma posição diferente. Para resolver este problema, consideramos que um dispositivo que pode escanear a altura de uma superfície em tempo real deve ser anexado ao cabeçalho de impacto. Mais pesquisas devem ser feitas em dispositivos de varredura para medir a altura da superfície corretamente.

A precisão dos padrões produzidos pelo processo sugerido também tem limitações. A largura e a profundidade de cada padrão dependem do diâmetro da ponta do motor (cabeça de impacto) e da profundidade em que o motor grava na película de polímero. O diâmetro da ponta do motor utilizado neste processo é de 9 μm, e a precisão do padrão gravado tem uma largura de padrão mínima de 9 μm. No entanto, os processos de relevo quente do tipo placa-para-placa existentes e do tipo rolo-a-rolo oferecem níveis de precisão padrão na faixa nm. Essa falta de precisão de um padrão pode ser resolvida reduzindo o diâmetro da ponta do motor no cabeçalho de impacto. Há pesquisas insuficientes até agora sobre processos mecânicos ou químicos para o processamento de pontas de mover em unidades nm. Se forem realizados estudos de processos mecânicos ou químicos para que a ponta do motor possa ser processada em unidades nm, espera-se que essas limitações sejam superadas. Ainda assim, ao contrário dos métodos convencionais, o processo proposto permite alterações no padrão de gravação em tempo real usando o cabeçalho de impacto, e isso oferece a vantagem de alterar o novo padrão ou substituir o padrão se um processo errôneo for encontrado.

Em seguida, comparamos a velocidade de processamento do processo proposto com a do processo de relevo quente do tipo roll-to-roll existente. Para o tipo convencional de rolo para rolo, a velocidade do processo é de 10 mm/s12. O processo de relevo quente do tipo de impressão de impacto proposto oferece uma frequência de desempenho de 6 Hz-10 Hz. Se forem assumidos dez pontos em uma película de polímero de 10 mm, a velocidade de processamento é de 6 mm/seg e a máxima é de 10 mm/s. Como resultado, a velocidade de processamento variará dependendo do padrão exigido pelo usuário. Portanto, o processo pode ser aplicado à produção em massa e a diversos processos de produção de produtos e pequenos volumes.

Se continuarmos a desenvolver nossa tecnologia atual, ela será capaz de gravar padrões contínuos, além de padrões de pontos. A gravação de padrões contínuos pode ser útil de várias maneiras. Por exemplo, colocando elementos elétricos ou aplicando tinta condutora no padrão gravado, um circuito microelétrico pode ser fabricado. Notavelmente, como este processo está ligado ao trabalho de gravação de micro ou nanopadrões em filmes de polímeros, ele pode ser aplicado na fabricação de dispositivos flexíveis. Além disso, como nosso método é como os processos de relevo quente existentes, este trabalho pode ser usado para fabricar laminados flexíveis revestidos de cobre (FCCLs) ou placas de circuito impresso flexíveis (FPCBs). Além disso, para aplicar o processo de relevo quente do tipo impressão de impacto a uma gama mais ampla de materiais, como dispositivos vestíveis ou sensores, é necessário alterar o padrão de ponto usando várias larguras e profundidades dependendo do dispositivo. O processo de relevo quente do tipo impressão de impacto investigado aqui tem a vantagem de ser capaz de gravar vários padrões enquanto ajusta as larguras e profundidades dos padrões em tempo real. Além disso, a tecnologia mencionada no protocolo utiliza um processo mais simples do que o processo de padronização convencional. Portanto, estamos convencidos de que a tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto pode ser estendida não apenas à produção em massa, mas também à indústria de produção em lote de pequena quantidade no futuro.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar

Acknowledgments

Esta pesquisa é apoiada pelo projeto intitulado "Desenvolvimento da tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto para uma camada condutora usando materiais nanocompostos condutores" através do Ministério do Comércio, Indústria e Energia (MOTIE) da Coreia (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

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References

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Estudo de um processo de padronização de ponto em materiais flexíveis usando tecnologia de relevo quente tipo impressão de impacto
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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).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).

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