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Engineering

Studio di un processo di modellazione di punti su materiali flessibili utilizzando la tecnologia di embossing a caldo di tipo di stampa di impatto

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

La tecnologia di rilievo a caldo tipo di stampa Impact utilizza un'intestazione d'impatto per racchiudere i modelli di punti su materiali flessibili in tempo reale. Questa tecnologia ha un sistema di controllo per controllare il movimento on-off e la posizione dell'intestazione d'impatto per creare modelli di punti con varie larghezze e profondità su diverse pellicole polimeriche.

Abstract

Qui presentiamo il nostro studio su un processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto che può creare modelli di punti con vari disegni, larghezze e profondità in tempo reale su pellicola polimerica. Inoltre, abbiamo implementato un sistema di controllo per il movimento on-off e la posizione dell'intestazione di impatto per incidere diversi modelli di punti. Abbiamo eseguito patterning a punti su varie pellicole polimeriche, come pellicole in poliestere (PET), pellicola methacriliato polimeticolo (PMMA) e pellicola di cloruro polivinile (PVC). I modelli di punti sono stati misurati utilizzando un microscopio confocale e abbiamo confermato che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa produce meno errori durante il processo di modellazione del punto. Di conseguenza, il processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto è ritenuto adatto per l'incisione di modelli di punti su diversi tipi di pellicole polimeriche. Inoltre, a differenza del processo convenzionale di goffratura a caldo, questo processo non utilizza un timbro goffratura. Pertanto, il processo è semplice e può creare modelli di punti in tempo reale, presentando vantaggi unici per la produzione di massa e la produzione di lotti di piccole quantità.

Introduction

I ricercatori stanno attivamente tentando di miniaturizzare i dispositivi e i display esistenti e aumentano la flessibilità di questi dispositivi1,2. Per ridurre la larghezza e la profondità dei canali elettrici alla micro o nanoscala, è necessaria una tecnologia ad alta precisione. Inoltre, per aumentare la flessibilità di questi dispositivi, i modelli dei canali elettrici devono essere posizionati su un materiale flessibile, come una pellicola polimerica3,4. Per soddisfare queste condizioni, è attivamente in corso lo studio della tecnologia di microprocessing ultrafine.

La tecnologia di microfabbricazione ultrafine ha un vantaggio in quanto i possibili materiali di modellazione includono non solo materiali altamente rigidi come ferro o plastica, ma anche materiali morbidi come le pellicole polimeriche. A causa di questi vantaggi, questa tecnologia è ampiamente utilizzata come processo di base in vari campi, come le comunicazioni, la chimica, l'ottica, l'aerospaziale, il semiconduttore e i sensori5,6,7. Nel campo della microlavorazione ultrafine, vengono utilizzati i metodi LIGA (litografia, elettroplastica e stampaggio) o di microlavorazione8. Tuttavia, questi metodi convenzionali sono associati a diversi problemi. I metodi LIGA richiedono una notevole quantità di tempo e diversi passaggi di processo per creare modelli ultrafini e incorrere in un costo elevato anche perché hanno bisogno di molti tipi diversi di apparecchiature durante i processi. Inoltre, i metodi LIGA utilizzano sostanze chimiche che possono inquinare l'ambiente.

Per risolvere questo problema, la tecnologia di processo di rilievo a caldo è stata messa in evidenza tra le tecnologie di microprocesso ultrafine. L'embossing a caldo è una tecnologia che crea un modello su una pellicola polimerica riscaldata utilizzando uno stampo in rilievo a micro o nanoscala. La tecnologia di goffratura a caldo convenzionale è suddivisa nel tipo di piastra e nel tipo roll-to-roll a seconda della forma dello stampo. I due tipi di tecnologia di goffratura a caldo sono diversi in termini di forma dello stampo, ma questi due processi sono simili in quanto lo stampo in rilievo preme la pellicola polimerica su una piastra riscaldata per incidere un modello sulla pellicola polimerica. Per incidere il modello utilizzando il processo di goffratura a caldo, è necessario riscaldare la pellicola polimerica sopra la temperatura di transizione del vetro e applicare una quantità adeguata di pressione (30-50 MPa)9. Inoltre, la larghezza e la profondità del modello cambiano a seconda della temperatura della piastra riscaldata, del materiale e della forma dello stampo in rilievo. Inoltre, il metodo di raffreddamento dopo il processo di modellazione influisce sulla forma del modello sulla pellicola polimerica.

Nel processo di goffratura a caldo convenzionale, i francobolli o i rulli di goffratura possono essere sbalzati con il modello desiderato e lo stampo in rilievo può essere utilizzato per stampare lo stesso modello su superfici di pellicola polimerica in modo continuo. Questa caratteristica rende questo processo adatto non solo per la produzione di massa, ma anche per la fabbricazione di dispositivi con materiali morbidi, come pellicole polimeriche10,11,12,13,14. Tuttavia, il metodo convenzionale di goffratura a caldo può creare solo il singolo modello inciso nello stampo in rilievo. Pertanto, quando l'utente desidera creare un nuovo modello o modificare il modello, deve creare un nuovo stampo per modificare il modello di imprinting. Per questo motivo, l'embossing a caldo convenzionale è costoso e richiede molto tempo quando si creano nuovi modelli o si sostituiscono i progetti esistenti.

I lavori precedenti hanno introdotto il processo di goffratura a caldo di tipo impatto per la produzione di modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale15. A differenza del processo di goffratura a caldo convenzionale, il metodo di goffratura a caldo di tipo di stampa utilizza un'intestazione di impatto per creare modelli sulla pellicola polimerica. Questa tecnologia sposta l'intestazione di impatto nella posizione desiderata con un sistema di posizionamento di precisione. Un segnale di controllo viene applicato ai pattern di stampa a una larghezza e profondità desiderate e a una posizione arbitraria. La struttura dell'intestazione d'impatto è costituita da un motore, una molla, un avvolgimento della bobina e un nucleo (vedere Figura 1A)15. Il lavoro precedente ha confermato attraverso un'analisi e l'esperimento che tale intestazione di impatto può produrre la forza appropriata per il rilievo a caldo16. Il protocollo di questo documento riguarda la progettazione dell'hardware per il processo di sbalzo a caldo di tipo impatto e l'ambiente di controllo per il controllo del processo. Inoltre, analizziamo i modelli di punti su pellicola PET, pellicola PMMA e pellicola in PVC, tutti elaborati con il protocollo proposto per verificare che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa possa creare modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale. I risultati di questi esperimenti sono presentati di seguito nella sezione dei risultati, confermando che il processo di goffratura può produrre opportunamente modelli ultrafini.

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Protocol

1. Fabbricazione del processo di sbalzo a caldo tipo di stampa

  1. Creare il modello 1 e combinarlo con una fase X (vedere La Figura 1).
    NOTA: Si raccomanda di fare il modello 1 di alluminio per evitare che il calore venga condotto sullo stadio X. Inoltre, si raccomanda che la lunghezza del modello 1 sia la distanza tra la superficie della piastra di calore e l'altezza più bassa della piastra di cuscinetto della fase di z in quanto il design del modello 1 varia in base alle dimensioni della piastra di calore.
  2. Unire lo stadio X e lo stadio z e assemblare lo stadio z e il modello 2.
    NOTA: Assicurarsi che il modello 2 sia costituito da un metallo che può sopportare il calore della piastra di calore (ad esempio, l'alluminio). La fissazione del Modello 2 alla fase a z garantirà la capacità dello stadio z di mantenere il peso del Modello 2 e dell'intestazione d'impatto.
  3. Combinare il modello 2 e l'intestazione di impatto e posizionare la piastra di calore sotto il modello 1.
    NOTA: L'unione dell'intestazione di impatto con la posizione più bassa sul modello 2 garantirà che il mover raggiunga la superficie della piastra termica. Si consiglia di installare al massimo la piastra di calore dopo aver sollevato al massimo la fase di z per evitare qualsiasi contatto della testa d'impatto con la superficie della piastra di calore. Utilizzare un software adatto per controllare il palco.
  4. Convertire i file STL del supporto pellicola (Supplementary File 1 e Supplementary File 2) in file GCODE utilizzando un software adatto per stampare il supporto pellicola con una stampante tridimensionale (3D).
    NOTA: il software può variare con la stampante 3D utilizzata e alcuni ambienti potrebbero supportare ambienti di stampa 3D senza conversione GCODE.
  5. Utilizzare la stampante 3D per stampare il portapellicola con il file GCODE.
    NOTA: si raccomanda l'utilizzo di un filamento (ad es., s.p.) perché si verificherà una minore contrazione quando si stampano parti di grandi dimensioni, come il supporto della pellicola.
  6. Installare due supporti per pellicole all'estremità della piastra di calore e fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, come illustrato nella Figura 1. Per assicurarsi che la pellicola polimerica sia piatta sulla piastra di calore, tirare la pellicola polimerica il più possibile utilizzando il movimento 1 del supporto della pellicola (vedere Figura 1B). Per spostare la pellicola polimerica laterale, spostare il supporto della pellicola tramite il movimento 2 (vedere La Figura 1B).
    NOTA: Per fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, si consiglia di utilizzare una vite. La colla è insufficiente per apporre la pellicola polimerica sul supporto della pellicola, ed è meglio per il distacco della pellicola polimerica dopo l'esperimento di patterning.

2. Fabbricazione del circuito di controllo

NOTA: Questo processo descrive il processo di costruzione del circuito di controllo dell'intestazione di impatto e della fase X–.

  1. Collegare il dispositivo di controllo che invia i segnali (vedere Tabella dei materiali) all'intestazione dell'impatto per controllarlo.
  2. Dopo aver collegato il dispositivo di controllo all'intestazione d'impatto, immettere -3 V e 10 V come segnali di controllo nell'intestazione di impatto.
    NOTA: se viene inviato un segnale di controllo da 10 V all'intestazione dell'impatto (vedere la Figura 1),il mover (testa d'impatto) scende ed entra nello stato di svolta. In questo stato, il trasloco colpisce la pellicola polimerica e incide il modello sulla pellicola polimerica.
    1. Sollevare il trasè per incidere il modello successivo dopo aver incisione un modello utilizzando il mover dell'intestazione d'impatto. Per sollevare il mover (testa d'impatto), applicare il segnale di controllo -3 V.
      NOTA: una tensione negativa viene immessa nell'intestazione dell'impatto per evitare che il movimento venga magnetizzato dal flusso residuo interno dell'intestazione di impatto.
  3. Se il dispositivo di controllo non è in grado di fornire un segnale di controllo sufficiente, utilizzare un amplificatore ad alta potenza (ad esempio OP-AMP) che amplifica il segnale di controllo v-5 V a s-3 V – 10 V, come mostrato nella Figura 2, per controllare l'intestazione dell'impatto.
    1. Innanzitutto, preparare un alimentatore DC a doppio canale (vedere Tabella dei materiali). Dopo questo passaggio, collegare quattro nodi per fornire nodi di terra comune (GND) a tutti i canali: un terminale di tensione positiva (V1) e un terminale di terra (GND) per il canale 1 e un terminale di tensione negativo (V2-) e terra (GND) per il canale 2. Un diagramma di connessione generale è illustrato nella Figura 2.
      NOTA: Secondo il passaggio descritto in 2.3.1, la tensione positiva e negativa con diversi valori assoluti può essere fornita all'amplificatore operativo (OP-AMP).
    2. Collegare il terminale di tensione negativo del canale 1 (V1-) dell'alimentatore al terminale di tensione di alimentazione negativo (Vs-) dell'OP-AMP, come indicato dalla linea blu nella Figura 2. Successivamente, inserire 3 V V Vcc voltagia al canale 1.
      NOTA: Secondo il passo 2.3.1, la tensione 3 V Vcc viene fornita come tensione negativa -3 V al terminale di tensione di alimentazione negativa (Vs-) dell'OP-AMP.
    3. Collegare il terminale di tensione positivo del canale 2 (V2) dell'alimentazione al terminale di alimentazione positiva (Vs) dell'OP-AMP, come indicato dalla linea rossa nella figura 2. Successivamente, immettere 10 V V Vcc voltaggio al canale 2.
      NOTA: Secondo il passo 2.3.1, la tensione V Vcc 10 V viene fornita come tensione positiva da 10 V al terminale di tensione di alimentazione positiva (Vs) dell'OP-AMP.
    4. Collegare il canale di output di un dispositivo di controllo (Vcon) al canale di ingresso positivo (Vin) dell'OP-AMP, come mostrato dalla linea verde nella Figura 2.
    5. Collegare il canale -output di un dispositivo di controllo (Vcon-) al suolo (GND) del canale 2 dell'alimentatore, come mostrato dalla linea nera nella Figura 2.
      NOTA: Quando si collega il (Vcon-) al suolo (GND), è possibile collegarlo a uno dei terminali collegati durante la fase 2.3.1 oltre al GND del canale 2.
    6. Preparare la resistenza elettrica di 1 ke 10 valori in ogni caso e collegarli tra la linea rossa e la linea nera, come mostrato nella Figura 2.
    7. Collegare il terminale tra 1 ke 10 k, al canale di ingresso negativo dell'OP-AMP (Vin-), come mostrato dalla linea viola in Figura 2.
    8. Estrarre le linee dal canale di uscita dell'OP-AMP (Vout) e uno dei terminali elettrici descritti nel passaggio 2.3.1. Collegare le righe all'intestazione dell'impatto, come illustrato dalla riga arancione nella figura 2.
    9. Per quanto riguarda l'alimentazione, impostare le tensioni del canale 1–3 Vcc e del canale 2–10 Vcc. Successivamente, generare i segnali di controllo di 0 V–5 V dal dispositivo di controllo.
      NOTA: i segnali di controllo V–5 V generati saranno amplificati dall'OP-AMP a i v,10 V, necessari per controllare l'intestazione dell'impatto, come descritto nei passaggi 2.2.1 e 2.2.2.

3. Progettazione dell'esperimento

NOTA: in questa sezione vengono descritti i processi di controllo del dispositivo di goffratura a caldo di tipo impatto e di incisione dei modelli di punti sulla pellicola polimerica.

  1. Installare un programma di controllo dello stage (ad esempio, Micromove) per controllare lo stadio X e lo stage z utilizzando un computer di controllo (PC).
  2. Installare il software del driver DAQ per rilevare la periferica di controllo nel PC di controllo che controlla l'intestazione dell'impatto e installare un programma operativo (ad esempio, MATLAB) per controllare il dispositivo di controllo.
  3. Dopo aver installato il software, costruire l'ambiente hardware come illustrato nella Figura 3A per condurre l'esperimento di patterning.
    1. Installare la fase X, la fase , l'intestazione di impatto, il supporto della pellicola e la piastra termica, come illustrato nella Figura 3A per costruire l'ambiente hardware.
    2. Fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola e regolare la posizione della pellicola polimerica utilizzando i movimenti 1 e 2 (vedere Figura 1B) per fissare la pellicola in modo piatto.
      NOTA: Per mantenere piatta la pellicola mentre si regola la direzione 2, le posizioni dei due supporti della pellicola devono essere parallele. Per rendere la pellicola piatta sulla piastra di calore, si consiglia di regolare il supporto della pellicola abbassando la posizione in base alla direzione 1, come mostrato nella Figura 1B.
    3. Dopo aver fissato la pellicola polimerica, regolare la temperatura della piastra di calore per riscaldare la pellicola al di sopra della temperatura di transizione del vetro.
      NOTA: Ogni tipo di pellicola ha la propria temperatura di transizione in vetro. Pertanto, si consiglia di regolare la temperatura della piastra di calore alla propria temperatura di transizione del vetro dopo aver controllato le proprietà del materiale della pellicola nella scheda tecnica corrispondente.
  4. Dopo aver impostato l'hardware, mettere insieme il circuito di controllo come illustrato nella Figura 3B per controllare lo stage e l'intestazione dell'impatto.
    1. Preparare il PC, la scheda di controllo, l'alimentazione e OP-AMP per costruire l'ambiente di controllo, come illustrato nella Figura 3B. Collegare i dispositivi come illustrato nella Figura 2 e quindi collegare il computer alla scheda di controllo.
    2. Immettere i valori 3 Vcc e 10 Vcc in un OP-AMP rispettivamente attraverso i canali 1 e 2 dell'alimentatore, come descritto nel passaggio 2.3.9.
  5. Controllare lo stage e l'intestazione dell'impatto utilizzando il computer di controllo.
    1. Regolare la posizione iniziale dell'intestazione dell'impatto controllando le fasi X e z utilizzando il programma di controllo dello stage.
      NOTA: durante la regolazione della posizione iniziale dell'intestazione di impatto, assicurarsi che non vi sia alcuna collisione tra l'intestazione di impatto e la piastra termica. Se la posizione dello stadio z è troppo bassa, il trasloco si scontrerà con la piastra di calore, danneggiando sia il trasloco che la piastra di calore. Se c'è un danno a entrambi i dispositivi, ostacolerà la creazione di modelli fini su un materiale polimerico.
    2. Utilizzando il programma operativo, generare un segnale di controllo 5 V dal dispositivo di controllo. Secondo i passaggi 2.3.1–2.3.9, l'OP-AMP amplificherà il segnale di controllo 5 V a 10 V, accenderà l'intestazione dell'impatto e inciderà i modelli sulla pellicola polimerica.
    3. Ora generare un segnale di controllo 0 V dal dispositivo di controllo utilizzando il programma operativo. Secondo i passaggi 2.3.1–2.3.9, l'OP-AMP amplificherà il segnale di controllo 0 V a -3 V e spegnerà l'intestazione di impatto.
      NOTA: il mover dell'intestazione d'impatto verrà sollevato, in attesa di incidere il nuovo modello.
    4. Spostare lo stadio X in posizione per incidere il motivo successivo.
    5. Incidete i motivi 3x sulla pellicola polimerica ripetendo i passi 3.5.1–3.5.4 in sequenza.
    6. Abbassare la fase z di 10 m dalla posizione iniziale ed eseguire il passaggio 3.5.5, contando il numero di mosse della fase z. Quando il numero di movimenti dello stadio z supera i tre, spostare lo stadio X nella posizione iniziale e aumentare al massimo l'intestazione dell'impatto spostando lo stage.
      NOTA: la modifica dell'altezza dello stage a z garantirà regolazioni della profondità e della larghezza del motivo del punto.
  6. Staccare la pellicola polimerica dal supporto della pellicola e misurare la larghezza e la profondità di ogni modello utilizzando un microscopio confocale (vedere Tabella dei materiali), come illustrato nella Figura 4A.
    1. Prima di iniziare il processo di misurazione, selezionare il valore di ingrandimento del microscopio e utilizzare inizialmente la modalità di osservazione diretta per regolare la posizione di scansione della pellicola polimerica. Dopo aver regolato la posizione per mezzo di osservazione diretta, fissare la pellicola polimerica e cambiare la modalità di scansione alla modalità di scansione laser.
      NOTA: Quando si utilizza il microscopio confocale, si consiglia di utilizzare un pannello acrilico per fissare il campione, come illustrato nella Figura 4B.
    2. Utilizzando la modalità di scansione laser, misurare la profondità e la larghezza del modello di punto.
  7. Ripetere i passaggi da 3.3.2– 3.6.2 dopo aver modificato il tipo di pellicola.
    NOTA: Considerando la temperatura di transizione del vetro di ogni tipo di pellicola, impostare la temperatura della piastra di calore prima di posizionare ogni pellicola sulla piastra di calore. In questo studio, la temperatura di transizione del vetro della pellicola in PVC è di 100 gradi centigradi; per la pellicola PMMA è di 95 gradi centigradi, e per la pellicola PET è di 75 gradi centigradi.

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Representative Results

Il processo di rilievo a caldo di tipo stampa di impatto è un processo che può essere utilizzato per racchiudere i modelli di punti su una pellicola polimerica in tempo reale, come illustrato nella Figura 1. Questo processo può risolvere i problemi del costo elevato e delle tempi lunghe per la sostituzione del modello associato al processo di goffratura a caldo esistente. È stato costruito un circuito di controllo, come illustrato nella Figura 2 (vedere i passaggi 2.3–2.3.9), utilizzando il DAQ, OP-AMP e l'alimentazione per intagliare i modelli su vari tipi di pellicole polimeriche mediante l'implementazione dell'intestazione di impatto durante l'operazione di on-off. Il processo di rilievo a caldo di tipo stampa implementato è illustrato nella Figura 3.

In studi precedenti sull'impatto di stampo di tipo hot embossing, solo gli esperimenti su pellicole PMMA sono stati convalidati, mentre non sono stati testati altri film polimerici. Al fine di verificare che l'impatto di tipo di stampa in rilievo a caldo può incidere modelli su altre pellicole polimeriche in tempo reale, sono stati effettuati esperimenti utilizzando pellicole PMMA, pellicola in PVC e pellicola PET. L'altezza dell'intestazione di impatto è stata ridotta di 10 m per ogni tre punti utilizzando uno stadio z, e abbiamo testato se nove punti potessero formare un modello a punti con diverse altezze sui tre tipi di pellicola. Utilizzando l'apparecchiatura illustrata nella Figura 3,è stato creato un modello a punti sui tre film polimeri, ed è stato utilizzato un microscopio confocale per osservare il modello (vedere il passaggio 3.6).

Il modello di punto è illustrato nella Figura 4B. Come illustrato nella Figura 4B, sono stati utilizzati nove punti e la dimensione del modello è aumentata dal campione 1 (S1) al campione 3 (S3) perché l'altezza dello stadio z è stata spostata di 10 m. In questo caso, le immagini bidimensionali (2D) al microscopio confocale dei tre film polimerici sono mostrate nella Figura 5. L'immagine 2D in Figura 5 mostra la parte S1 di ogni modello. Figura 5A mostra un campione di pellicola PET 50 m di spessore, Figura 5B mostra un campione di pellicola PMMA 175 m di spessore, e La figura 5C mostra un campione di pellicola in PVC 300 m di spessore. La figura 6 mostra micrografie 2D di un modello a punti e micrografie 3D di S1 utilizzando la modalità di scansione laser (LSM) del microscopio confocale. Come illustrato nella Figura 6, è possibile misurare la larghezza e la profondità del modello di ogni modello di punto e il modello è stato chiaramente osservabile tramite l'immagine 2D di un punto.

I risultati di larghezza e profondità dei nove modelli a punti sulle tre pellicole polimeriche che utilizzano la funzione 3D del microscopio confocale sono riportati nella Tabella 1. La pellicola PET è più sottile rispetto alle altre pellicole polimeriche. Pertanto, è stato creato il campione con attenzione in modo che l'intestazione di impatto non tocchi la piastra termica quando è stata regolata la fase z. Per il PET, in S1 i valori medi della larghezza e della profondità del pattern erano rispettivamente di 110,6 e 10,3 m, con corrispondenti errori rispettivamente di -5,6–6,2% e 3,3–1,7%. Per l'altezza dello stadio z è stata ridotta di 10 m, i valori medi per la larghezza e la profondità del pattern sono cambiati rispettivamente a 155,2 e 17,0 m, con errori corrispondenti rispettivamente di 5,2–2,8% e -3,0–2,0%. Per l'altezza dello stadio z è stata ridotta di altri 10 m, i valori medi per la larghezza e la profondità del modello sono cambiati rispettivamente a 170,8 e 25,7 m, con errori corrispondenti rispettivamente di 2,8–4,2% e -2,7–2,3%.

Per la PMMA, in S1 i valori medi della larghezza e della profondità del modello erano rispettivamente di 240,2 e 112,2 m, con corrispondenti errori rispettivamente di 1,2–1,3% e di -4,1–2,8%. Per l'altezza dello stadio z è stata ridotta di 10 m, i valori medi per la larghezza e la profondità del pattern sono cambiati rispettivamente a 250,0 e 129,8 m, con corrispondenti errori rispettivamente di -2,0–2,0% e -1,8–1,1%. Per S3, dopo che l'altezza della fase z è stata ridotta di altri 10 m, i valori medi per la larghezza e la profondità del modello sono cambiati a 281,2 m e 141,3 m, con corrispondenti errori di 3,1–3,8% e -3,3–2,6%.

Per il PVC, in S1 i valori medi della larghezza e della profondità del pattern erano rispettivamente di 236,4 m e 136,1 m, con corrispondenti errori di -6,3–4,0% e -5,6–3,9%. Per l'altezza dello stadio z è stata ridotta di 10 m, i valori medi della larghezza e della profondità del pattern sono cambiati rispettivamente a 250,8 e 150,7 m, con corrispondenti errori rispettivamente di 2,5–2,4% e -2,1–2,8%. Per L'altezza dello stadio z è stata ridotta di altri 10 m, i valori medi della larghezza e della profondità del modello sono cambiati a 263,5 m e 159,2 m, con corrispondenti errori di -6,7–11,7% e -5,0–7,5%.

I grafici della profondità e della larghezza del modello per le tre pellicole polimeriche sono riportati nella figura 7. L'altezza dello stadio z è stata ridotta di 10 m per ogni tre punti da S1 a S3, in modo che la larghezza e la profondità della pellicola aumentasse da S1 a S3. L'errore massimo è stato compreso nell'intervallo di -6,7–11,7% per il PVC e l'errore minimo è stato compreso tra -1,2 e 1,3% per PMMA. In conclusione, gli errori nei modelli a punti per i tre tipi di film sono minori. Questo dimostra che il processo di rilievo a caldo di tipo stampa di impatto è adatto per l'incisione di micromodelli su pellicole polimeriche in tempo reale.

Figure 1
Figura 1: Progettazione della tecnologia di sbalzo a caldo del tipo di stampa. (A) Un design 3D del processo di rilievo a caldo di tipo di stampa di impatto,(B) design del supporto della pellicola. Il supporto della pellicola può muoversi nelle direzioni Motion 1 e Motion 2 e può essere utilizzato per fissare la pellicola o per spostarla di lato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Progettazione schematica del circuito dell'amplificatore elettrico. In questa immagine, vengono utilizzati sei dispositivi per creare il circuito: un alimentatore con due canali, un amplificatore operativo ad alta potenza (OP-AMP), un dispositivo di controllo, un'intestazione di impatto e due componenti di resistenza con valori diversi. Ogni dispositivo è collegato nell'immagine e le linee di connessione vengono visualizzate in vari colori. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Implementazione del processo di sbalzo a caldo del tipo di stampa e del circuito di controllo. (A) Implementazione del processo di rilievo a caldo del tipo di stampa e(B)delle impostazioni sperimentali del sistema di controllo Fare clic qui per visualizzare una versione più ampia di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Attrezzature al microscopio confocale e pellicola PET con modelli di punti. (A) Attrezzature al microscopio confocale per misurare le larghezze e le profondità dei punti sulla pellicola polimerica. (B) Modelli di punti sulla pellicola PET. I nove modelli sono divisi in tre sezioni dalla profondità più bassa dei modelli punto (S1, S2, S3) e ogni sezione ha tre punti. I micrografi vengono eseguiti utilizzando la funzione 2D del microscopio confocale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Fotomicrografie bidimensionali che utilizzano il microscopio confocale. (A) Un fotomicrografo 2D del film PET da 50 m,(B) fotomicrografo 2D del film PMMA da 175 PMMA e fotomicrografico 2D(C)del film in PVC 300 Fare clic qui per visualizzare una versione più ampia di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Micrografie bidimensionali di un modello a punti e micrografie 3D di S1 utilizzando la modalità LSM del microscopio confocale. (A) Un micrografo 3D di tre modelli a punti e un micrografo 2D di un motivo a punti sulla pellicola PET spessa 50 m. (B) Un micrografo 3D di tre modelli a punti e un micrografo 2D di un motivo a punti sulla pellicola PMMA spessa 175 m. (C) Un micrografo 3D di tre modelli a tre punti e un micrografo 2D di un modello a punti sul film in PVC di 300 gradi spesso si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Grafici delle larghezze e delle profondità del modello per S1, S2 e S3 su tre pellicole polimeriche. La posizione dello stage z è stata aumentata di 10 m per ogni tre punti da S1 a S3 e ogni grafico è basato sui dati riportati nella tabella 1. (A) Il risultato della larghezza del motivo e della profondità del motivo per la pellicola PET. (B) Il risultato della larghezza del modello e della profondità del modello per la pellicola PMMA. (C) I risultati della larghezza del modello e della profondità del modello per la pellicola in PVC. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Pellicola polimerica Numero di esempio Media della larghezza del modello (m) Media della profondità del modello (m) Larghezza tasso di errore (%) Tasso di errore Profondità (%)
PVC Film S1 (in modo sin) 236.4 136.1 -6,3%4,0% -5,6,9%
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 Film S1 (in modo sin) 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%
Pellicola PET S1 (in modo sin) 110.6 10.3 -5,6/6,2% -3,3,7%
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%

Tabella 1: Risultati di misurazione di nove modelli di punti su tre pellicole polimeriche. I valori nella tabella sono stati misurati utilizzando la funzione di misurazione 3D del microscopio confocale e rappresentano i valori medi delle larghezze e delle profondità del modello e gli errori di modello per S1, S2 e S3.

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Discussion

In questo studio, abbiamo implementato il processo di rilievo a caldo tipo di stampa e i modelli di punti incisi con varie larghezze e profondità su una gamma di pellicole polimeriche in tempo reale. Tra i passaggi del protocollo, due passaggi devono essere considerati criticamente tra tutti i passaggi. Il primo è l'impostazione della temperatura della piastra di calore (passaggio 3.3.3), e il secondo è l'impostazione della posizione iniziale dell'intestazione d'impatto (passaggio 3.5.1). Nel passaggio 3.3.3, se la temperatura della piastra di calore è troppo alta, diventa difficile formare un modello perché la viscosità della pellicola ostacola la creazione di un modello fine. D'altra parte, se la temperatura della piastra di calore è troppo bassa, il modello non è inciso senza intoppi. Il fattore della posizione iniziale dell'intestazione di impatto è importante perché la posizione dell'intestazione di impatto è correlata alla profondità e alla larghezza del modello. Inoltre, se l'altezza della testata d'impatto è troppo bassa, il traslocatore della testata d'impatto si scontrerà con la piastra di calore, causando danni sia al traslocatore che alla piastra di calore. Questo danno non solo consuma la punta del trasloco, ma ha anche un effetto negativo sull'altezza e la larghezza del modello inciso nel passo successivo. Per questi motivi, durante i passaggi 3.3.3 e 3.5.1, la temperatura di riscaldamento e le condizioni di accensione devono essere attentamente considerate.

Nel lavoro precedente sull'inrilievo a caldo di tipo impatto, è stato utilizzato un processo di modellazione a punti con pellicola PMMA, con errori di deviazione che si verificano a causa di un problema di fissazione associato alla pellicola polimerica15,16. Per risolvere questo problema, è stata presa in considerazione la correzione della pellicola polimerica utilizzando supporti di pellicola su entrambi i lati della piastra di calore, e questa strategia ha ridotto l'errore rispetto ai valori precedenti. È stato anche dimostrato che i modelli a punti con varie larghezze e profondità possono essere incisi su varie pellicole polimeriche, come pellicole PET e PVC, in tempo reale. Confrontando il tasso di errore della PMMA con quelli dei precedenti processi di goffratura a caldo, i risultati di ogni campione di pellicola hanno mostrato che gli errori nelle larghezze e nelle profondità del modello sono stati significativamente ridotti.

Tuttavia, è rimasto qualche errore nei modelli di punti. Abbiamo considerato due cause per questi errori. Il primo è legato al cambiamento della superficie a causa della temperatura di transizione del vetro della pellicola polimerica. Quando ogni pellicola viene riscaldata al di sopra della temperatura di transizione del vetro, la superficie della pellicola polimerica diventa morbida e la superficie della pellicola aumenta leggermente anche se rimane fissa durante l'utilizzo del supporto della pellicola, causando un errore. Per evitare questo, se la temperatura della piastra di calore è inferiore alla temperatura di trasferimento del vetro, la combinazione della struttura molecolare della pellicola polimerica è più forte, ma il modello sulla pellicola polimerica non è inciso pure. Pertanto, è ingombrante trovare il valore ottimale per ogni pellicola polimerica corrispondente attraverso ripetuti esperimenti. La seconda causa è il problema di squilibrio della piastra di calore. La superficie della piastra di calore che riscalda la pellicola durante il processo di goffratura a caldo deve essere interamente orizzontale per incidere uniformemente l'altezza dei motivi del punto. Tuttavia, se la piastra termica è leggermente inclinata, si verificheranno errori nella larghezza del modello o nell'altezza del modello quando il modello utilizza una posizione diversa. Per risolvere questo problema, si considera che un dispositivo in grado di eseguire la scansione dell'altezza di una superficie in tempo reale deve essere collegato all'intestazione dell'impatto. Ulteriori ricerche dovrebbero essere fatte sui dispositivi di scansione per misurare correttamente l'altezza della superficie.

Anche la precisione dei modelli prodotti dal processo suggerito presenta dei limiti. La larghezza e la profondità di ogni modello dipendono dal diametro della punta del mover (testa d'impatto) e dalla profondità alla quale il mover incide sulla pellicola polimerica. Il diametro della punta del mover utilizzato in questo processo è di 9 m, e la precisione del modello inciso ha una larghezza minima del motivo di 9 m. Tuttavia, i processi di sbalzo a caldo esistenti e il tipo roll-to-roll offrono livelli di precisione del modello nell'intervallo nm. Questa mancanza di precisione di un modello può essere risolta riducendo il diametro della punta del mover nell'intestazione d'impatto. Finora non vi sono ricerche sufficienti sui processi meccanici o chimici per l'elaborazione di suggerimenti per il trattamento in nm unit. Se vengono condotti studi sui processi meccanici o chimici in modo che la punta del traslochi possa essere elaborata in nm unit, si prevede che tali limitazioni vengano superate. Tuttavia, a differenza dei metodi convenzionali, il processo proposto consente modifiche al modello di incisione in tempo reale utilizzando l'intestazione di impatto, e questo offre il vantaggio di cambiare il nuovo modello o sostituire il modello se viene trovato un processo errato.

Successivamente, abbiamo confrontato la velocità di elaborazione del processo proposto con quella del processo di sbalzo a caldo esistente. Per il tipo roll-to-roll convenzionale, la velocità di processo è 10 mm/s12. Il processo di rilievo a caldo di tipo stampa proposto offre una frequenza di prestazioni di 6 Hz-10 Hz. Se si presuppone dieci punti su una pellicola polimerica da 10 mm, la velocità di elaborazione è di 6 mm/sec e il valore massimo è 10 mm/s. Di conseguenza, la velocità di elaborazione varia a seconda del modello richiesto dall'utente. Pertanto, il processo può essere applicato alla produzione di massa e a vari processi di produzione di prodotti e piccoli volumi.

Se continuiamo a sviluppare la nostra tecnologia attuale, sarà in grado di incidere modelli continui oltre a modelli di punti. L'incisione di modelli continui può essere utile in diversi modi. Ad esempio, posizionando elementi elettrici o applicando inchiostro conduttivo sul modello inciso, è possibile produrre un circuito microelettrico. In particolare, poiché questo processo è legato al lavoro sull'incisione di micro o nanomodelli sulle pellicole polimeriche, può essere applicato per produrre dispositivi flessibili. Inoltre, poiché il nostro metodo è come i processi di goffratura a caldo esistenti, questo lavoro può essere utilizzato per produrre laminati rivestiti in rame flessibili (FCCL) o schede a circuito stampato flessibili (FPCB). Inoltre, per applicare il processo di rilievo a caldo tipo di stampa impatto a una gamma più ampia di materiali, come dispositivi indossabili o sensori, è necessario modificare il modello del punto utilizzando varie larghezze e profondità a seconda del dispositivo. Il processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto studiato qui ha il vantaggio di essere in grado di incidere vari modelli mentre si regolano le larghezze e le profondità dei modelli in tempo reale. Inoltre, la tecnologia menzionata nel protocollo utilizza un processo più semplice rispetto al processo di modellazione convenzionale. Pertanto, siamo convinti che l'impatto della tecnologia di sbalzo a caldo di tipo stampa possa essere esteso non solo alla produzione di massa, ma anche all'industria della produzione di lotti di piccole quantità in futuro.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare

Acknowledgments

Questa ricerca è supportata dal progetto intitolato "Sviluppo della tecnologia di sbalzo a caldo tipo di stampa di impatto per uno strato conduttivo che utilizza materiali nanocompositi conduttivi" attraverso il Ministero del Commercio, dell'Industria e dell'Energia (MOTIE) della Corea (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

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  16. Ahn, J., Yun, D. Analyzing Electromagnetic Actuator based on Force Analysis. 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2019).

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Ingegneria Numero 158 intestazione d'impatto rilievo a caldo imstampazione rilievo a impatto modello fine modello di incisione
Studio di un processo di modellazione di punti su materiali flessibili utilizzando la tecnologia di embossing a caldo di tipo di stampa di impatto
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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).

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