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Engineering

Étude d’un processus de modèle de point sur les matériaux flexibles à l’aide de la technologie d’embossing chaud de type d’impression d’impact

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 technologie de gaufrage chaud de type impression d’impact utilise un en-tête d’impact pour graver les modèles de points sur les matériaux flexibles en temps réel. Cette technologie dispose d’un système de contrôle pour contrôler le mouvement et la position de l’en-tête d’impact pour créer des motifs de points avec différentes largeurs et profondeurs sur différents films de polymère.

Abstract

Nous présentons ici notre étude sur un processus de gaufrage chaud de type impression d’impact qui peut créer des motifs de points avec diverses conceptions, largeurs et profondeurs en temps réel sur le film en polymère. En outre, nous avons mis en place un système de contrôle pour le mouvement et la position de l’en-tête d’impact pour graver différents modèles de points. Nous avons exécuté le modèle de point sur divers films de polymère, tels que le film de polyester (PET), le film de méthacrylate de polyméthyl (PMMA), et le chlorure de polyvinyl (PVC). Les modèles de points ont été mesurés à l’aide d’un microscope confocal, et nous avons confirmé que le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact produit moins d’erreurs pendant le processus de modèle de point. Par conséquent, le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact est adapté aux modèles de points de gravure sur différents types de films en polymère. En outre, contrairement au processus de gaufrage chaud conventionnel, ce processus n’utilise pas un timbre de gaufrage. Par conséquent, le processus est simple et peut créer des modèles de points en temps réel, présentant des avantages uniques pour la production de masse et la production de lots de petite quantité.

Introduction

Les chercheurs tentent activement de miniaturiser les appareils et les écrans existants et d’accroître la flexibilité de ces dispositifs1,2. Pour réduire la largeur et la profondeur des canaux électriques à l’échelle micro ou nanométrique, une technologie de haute précision est nécessaire. En outre, pour augmenter la flexibilité de ces dispositifs, les modèles des canaux électriques doivent être situés sur un matériau flexible, comme un film en polymère3,4. Pour répondre à ces conditions, l’étude de la technologie de microprocessage ultrafine est activement en cours.

La technologie de microfabrication ultrafine a un avantage en ce que les matériaux de modelage possibles incluent non seulement des matériaux très rigides tels que le fer ou le plastique, mais aussi des matériaux mous tels que les films en polymère. En raison de ces avantages, cette technologie est largement utilisée comme un processus de base dans divers domaines, tels que les communications, la chimie, l’optique, l’aérospatiale, les semi-conducteurs, et les capteurs5,6,7. Dans le domaine du microprocesseur ultrafin, les méthodes de microprocesseur LIGA (lithographie, électroplaque et moulure) ou micromachining sont utilisées8. Cependant, ces méthodes conventionnelles sont associées à plusieurs problèmes. Les méthodes LIGA nécessitent beaucoup de temps et plusieurs étapes de processus pour créer des modèles ultrafins et engager un coût élevé ainsi parce qu’ils ont besoin de nombreux types différents d’équipement au cours des processus. En outre, les méthodes LIGA utilisent des produits chimiques qui peuvent polluer l’environnement.

Pour résoudre ce problème, la technologie des processus de gaufrage à chaud a été mise en lumière parmi les technologies de microprocesseur ultrafines. Le gaufrage chaud est une technologie qui crée un modèle sur un film en polymère chauffé à l’aide d’un moule à gaufrage à l’échelle micro ou nanométrique. La technologie conventionnelle de gaufrage chaud est divisée en type de plaque et en type de rouleau à rouleau selon la forme du moule. Les deux types de technologie de gaufrage chaud sont différents en termes de forme du moule, mais ces deux processus sont similaires en ce que le moule de gaufrage presse le film de polymère sur une plaque chauffée pour graver un modèle sur le film en polymère. Pour graver le modèle à l’aide du processus de gaufrage chaud, il est nécessaire de chauffer le film en polymère au-dessus de la température de transition du verre et d’appliquer une quantité suffisante de pression (30 à 50 MPa)9. En outre, la largeur et la profondeur du modèle changent en fonction de la température de la plaque chauffée, du matériau et de la forme du moule de gaufrage. En outre, la méthode de refroidissement après le processus de modelage affecte la forme du modèle sur le film en polymère.

Dans le processus de gaufrage chaud conventionnel, les timbres de gaufrage ou les rouleaux peuvent être en relief avec le modèle désiré, et le moule de gaufrage peut être employé pour imprimer le même modèle sur les surfaces de film de polymère en continu. Cette fonctionnalité rend ce processus adapté non seulement pour la production de masse, mais aussi pour la fabrication d’appareils avec des matériaux mous, tels que les films en polymère10,11,12,13,14. Cependant, la méthode conventionnelle de gaufrage chaud ne peut créer que le modèle unique gravé dans le moule de gaufrage. Par conséquent, lorsque l’utilisateur veut faire un nouveau motif ou modifier le modèle, ils doivent faire un nouveau moule pour modifier le modèle d’impression. Pour cette raison, le gaufrage chaud conventionnel est coûteux et long lors de la création de nouveaux modèles ou le remplacement des conceptions existantes.

Des travaux antérieurs ont introduit le processus de gaufrage à chaud de type impact pour produire des motifs de points avec différentes largeurs et profondeurs en temps réel15. Contrairement au processus de gaufrage chaud conventionnel, la méthode de gaufrage chaud de type impression d’impact utilise un en-tête d’impact pour créer des motifs sur le film en polymère. Cette technologie déplace l’en-tête d’impact à la position désirée avec un système de positionnement de précision. Un signal de commande est appliqué aux modèles d’impression à une largeur et à une profondeur désirées et à une position arbitraire. La structure de l’en-tête d’impact se compose d’un déménageur, d’un ressort, d’une bobine sinueuse et d’un noyau (voir la figure 1A)15. Des travaux antérieurs ont confirmé par une analyse et une expérience qu’un tel en-tête d’impact peut produire la force appropriée pour le gaufrage chaud16. Le protocole de ce document couvre la conception du matériel pour le processus de gaufrage à chaud de type impact et l’environnement de contrôle pour le contrôle des processus. En outre, nous analysons les modèles de points sur le film PET, le film PMMA, et le film en PVC, qui sont tous traités avec le protocole proposé pour vérifier que le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact peut créer des modèles de points avec différentes largeurs et profondeurs en temps réel. Les résultats de ces expériences sont présentés ci-dessous dans la section des résultats, confirmant que le processus de gaufrage peut produire convenablement des modèles ultrafins.

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Protocol

1. Fabrication du processus de gaufrage chaud de type impression d’impact

  1. Faire le modèle 1 et le combiner avec un X-stage (voir la figure 1).
    REMARQUE : Il est recommandé que le modèle 1 soit fait d’aluminium pour éviter que la chaleur ne soit conduite sur le stade X. En outre, il est recommandé que la longueur du modèle 1 soit la distance entre la surface de la plaque de chaleur et la plus faible hauteur de la plaque de roulement de l’étape Z que la conception du modèle 1 varie avec la taille de la plaque de chaleur.
  2. Combinez le X-stage et le Z-stage et assemblez le Z-stage et le Modèle 2.
    REMARQUE : Assurez-vous que le modèle 2 est fait d’un métal qui peut supporter la chaleur de la plaque thermique (p. ex., aluminium). Fixer le modèle 2 à l’étape Z assurera étroitement la capacité de l’étape Z pour tenir le poids du modèle 2 et l’en-tête d’impact.
  3. Combinez le modèle 2 et l’en-tête d’impact et placez la plaque de chaleur en dessous du modèle 1.
    REMARQUE : Rejoindre l’en-tête d’impact avec la position la plus basse sur le modèle 2 permettra de s’assurer que le déménageur atteint la surface de la plaque de chaleur. Il est recommandé d’installer la plaque thermique après avoir relevé le stade Z au maximum pour éviter tout contact de la tête d’impact avec la surface de la plaque de chaleur. Utilisez un logiciel approprié pour contrôler la scène.
  4. Convertir les fichiers TSL du titulaire du film(fichier supplémentaire 1 et fichier supplémentaire 2) en fichiers GCODE à l’aide d’un logiciel approprié pour imprimer le titulaire du film avec une imprimante tridimensionnelle (3D).
    REMARQUE : Le logiciel peut varier selon l’imprimante 3D utilisée, et certains environnements peuvent prendre en charge les environnements d’imprimante 3D sans conversion GCODE.
  5. Utilisez l’imprimante 3D pour imprimer le support du film avec le fichier GCODE.
    REMARQUE : L’utilisation d’un filament (p. ex., Z-HIPS) est recommandée parce qu’il y aura moins de contraction lors de l’impression de grandes pièces, comme le porte-film.
  6. Installez deux porte-pellicules sur l’extrémité de la plaque thermique et fixez le film en polymère sur le support du film, comme le montre la figure 1. Pour vous assurer que le film en polymère est plat sur la plaque chauffante, tirez le film en polymère autant que possible à l’aide du mouvement 1 du porteur du film (voir la figure 1B). Pour déplacer le film en polymère sur le côté, déplacez le porteur du film via le mouvement 2 (voir la figure 1B).
    REMARQUE : Pour fixer le film en polymère sur le support du film, il est recommandé d’utiliser une vis. La colle est insuffisante pour apposer le film en polymère sur le support du film, et il est préférable pour le détachement du film en polymère après l’expérience de modelage.

2. Fabrication du circuit de contrôle

REMARQUE : Ce processus décrit le processus de construction du circuit de contrôle de l’en-tête d’impact et de l’étape X-Z.

  1. Connectez le dispositif de commande qui envoie les signaux (voir tableau des matériaux) à l’en-tête d’impact pour le contrôler.
  2. Après avoir connecté le dispositif de commande à l’en-tête d’impact, entrée -3 V et 10 V comme signaux de contrôle dans l’en-tête d’impact.
    REMARQUE : Si un signal de commande V de 10 est envoyé à l’en-tête d’impact (voir la figure 1), le déménageur (tête d’impact) descend et entre dans l’état d’entrée. Dans cet état, le déménageur frappe le film en polymère et grave le motif sur le film en polymère.
    1. Soulevez le déménageur pour graver le modèle suivant après avoir gravé un motif à l’aide du déménageur de l’en-tête d’impact. Pour augmenter le déménageur (tête d’impact), appliquez le signal de commande -3 V.
      REMARQUE : Une tension négative est entrée à l’en-tête d’impact pour empêcher le déménageur de devenir magnétisé par le flux de reste intérieur de l’en-tête d’impact.
  3. Si le dispositif de commande ne peut pas fournir un signal de commande suffisant, utilisez un amplificateur de fonctionnement à haute puissance (p. ex., OP-AMP) qui amplifie le signal de commande V-5 V à 3 V-10 V, comme indiqué dans la figure 2,pour contrôler l’en-tête d’impact.
    1. Tout d’abord, préparer une alimentation à double canal DC (voir Tableau des matériaux). Après cette étape, connectez quatre nœuds pour fournir un terrain d’entente (GND) à tous les canaux : un terminal de tension positive (V1MD) et un terminal au sol (GND) pour le canal 1 et un terminal à tension négative (V2-) et un sol (GND) pour le canal 2. Un diagramme de connexion global est indiqué dans la figure 2.
      REMARQUE : Selon l’étape décrite dans 2.3.1, une tension positive et négative avec différentes valeurs absolues peut être fournie à l’amplificateur opérationnel (OP-AMP).
    2. Connectez le terminal de tension négatif du canal 1 (V1-) de l’alimentation électrique au terminal de tension d’alimentation (Vs-) négatif de l’OP-AMP, comme l’indique la ligne bleue de la figure 2. Par la suite, entrez 3 V V tension Vcc au canal 1.
      REMARQUE: Selon l’étape 2.3.1, la tension Vcc 3 V est fournie comme -3 V tension négative au terminal de tension d’alimentation (Vs-) du TERMINAL d’alimentation (Vs-) de l’OP-AMP.
    3. Connectez le terminal de tension positif du canal 2 (V2MD) de l’alimentation électrique au terminal de tension d’alimentation positif (VsMD) de l’OP-AMP, comme l’indique la ligne rouge de la figure 2. Par la suite, entrez 10 V V tension Vcc au canal 2.
      REMARQUE : Selon l’étape 2.3.1, la tension Vcc de 10 V est fournie sous forme de tension positive de 10 V au terminal de tension d’alimentation (VsMD) positif de l’OP-AMP.
    4. Connectez le canal de sortie d’un dispositif de contrôle (VconMD) au canal d’entrée positif (VinMD) de l’OP-AMP, comme le montre la ligne verte de la figure 2.
    5. Connectez le canal de sortie d’un dispositif de contrôle (Vcon-) au sol (GND) du canal 2 de l’alimentation, comme le montre la ligne noire de la figure 2.
      REMARQUE : Lors de la connexion du (Vcon-) au sol (GND), il est possible de le connecter à l’un des terminaux connectés à l’étape 2.3.1 en plus du GND du canal 2.
    6. Préparer la résistance électrique de 1 k et 10 k ' valeurs dans chaque cas et les relier entre la ligne rouge et la ligne noire, comme le montre la figure 2.
    7. Connectez le terminal entre 1 k et 10 k à la chaîne d’entrée négative de l’OP-AMP (Vin-), comme le montre la ligne violette de la figure 2.
    8. Retirez les lignes du canal de sortie de l’OP-AMP (Vout) et de l’un des terminaux électriques décrits à l’étape 2.3.1. Connectez les lignes à l’en-tête d’impact, comme le montre la ligne orange de la figure 2.
    9. En ce qui concerne l’alimentation électrique, définissez les tensions du canal 1-3 Vcc et du canal 2-10 Vcc. Par la suite, générez des signaux de commande de 0 V-5 V à partir du dispositif de contrôle.
      REMARQUE : Les signaux de commande générés par le V-5 V générés seront amplifiés par l’OP-AMP à 3 V-10 V, ce qui est nécessaire pour contrôler l’en-tête d’impact tel que décrit dans les étapes 2.2.1 et 2.2.2.

3. Conception d’expérience

REMARQUE : Cette section décrit les processus de contrôle du dispositif de gaufrage chaud de type impact et de la gravure des motifs de points sur le film en polymère.

  1. Installer un programme de contrôle par étapes (p. ex., Micromove) pour contrôler l’étape X et Z à l’aide d’un ordinateur de contrôle (PC).
  2. Installer un logiciel de pilote DAQ pour détecter l’appareil de commande sur le PC de contrôle qui contrôle l’en-tête d’impact et installer un programme d’exploitation (p. ex., MATLAB) pour contrôler l’appareil de commande.
  3. Après l’installation du logiciel, construisez l’environnement matériel tel que indiqué dans la figure 3A pour mener l’expérience de modelage.
    1. Installez la scène X, la scène Z, l’en-tête d’impact, le porte-film et la plaque thermique comme le montre la figure 3A pour construire l’environnement matériel.
    2. Fixez le film en polymère sur le support du film et ajustez la position du film en polymère à l’aide des mouvements 1 et 2 (voir la figure 1B) pour fixer le film à plat.
      REMARQUE : Pour garder le film plat tout en ajustant la direction 2, les emplacements des deux détenteurs de film doivent être parallèles. Pour rendre le film plat sur la plaque chauffante, il est recommandé d’ajuster le porteur du film en abaissant la position selon la direction 1, comme le montre la figure 1B.
    3. Après avoir corrigé le film en polymère, ajustez la température de la plaque de chaleur pour chauffer le film au-dessus de la température de transition du verre.
      REMARQUE : Chaque type de film a sa propre température de transition en verre. Par conséquent, il est recommandé d’ajuster la température de la plaque de chaleur à sa propre température de transition en verre après avoir vérifié les propriétés matérielles du film dans la feuille de données correspondante.
  4. Après avoir défini le matériel, assemblez le circuit de contrôle comme le montre la figure 3B pour contrôler l’étape et l’en-tête d’impact.
    1. Préparer le PC, le panneau de contrôle, l’alimentation électrique et l’OP-AMP pour construire l’environnement de contrôle comme le montre la figure 3B. Connectez les appareils tels qu’ils sont indiqués dans la figure 2, puis connectez l’ordinateur au panneau de contrôle.
    2. Entrez les valeurs 3 Vcc et 10 Vcc dans un OP-AMP par les canaux 1 et 2 de l’alimentation électrique respectivement, tel que décrit à l’étape 2.3.9.
  5. Contrôlez l’étape et l’en-tête d’impact à l’aide de l’ordinateur de contrôle.
    1. Ajuster la position initiale de l’en-tête d’impact en contrôlant les étapes X et Z à l’aide du programme de contrôle de scène.
      REMARQUE : Tout en ajustant la position initiale de l’en-tête de l’impact, assurez-vous qu’il n’y a pas de collision entre l’en-tête d’impact et la plaque de chaleur. Si la position de l’étape Z est trop basse, le déménageur entrera en collision avec la plaque thermique, endommageant à la fois le déménageur et la plaque thermique. S’il y a des dommages aux deux dispositifs, cela entravera la création de motifs fins sur un matériau polymère.
    2. À l’aide du programme d’exploitation, générez un signal de commande de 5 V à partir du dispositif de commande. Selon les étapes 2.3.1-2.3.9, l’OP-AMP amplifiera le signal de commande de 5 V à 10 V, activera l’en-tête d’impact et gravera les motifs du film en polymère.
    3. Maintenant, générez un signal de commande de 0 V à partir du dispositif de commande à l’aide du programme d’exploitation. Selon les étapes 2.3.1-2.3.9, l’OP-AMP amplifiera le signal de commande de 0 V à -3 V et désactivera l’en-tête d’impact.
      REMARQUE : Le déménageur de l’en-tête d’impact sera soulevé, attendant de graver le nouveau modèle.
    4. Déplacez l’étape X en position pour graver le modèle suivant.
    5. Gravez les motifs 3x sur le film en polymère en répétant les étapes 3.5.1-3.5.4 séquentiellement.
    6. Abaissez le Z-étape à 10 m de la position initiale et exécutez l’étape 3.5.5, en comptant le nombre de mouvements de z-étape. Lorsque le nombre de mouvements Z-étape dépasse trois, déplacez le X-étape à la position initiale et augmentez l’en-tête d’impact au maximum en déplaçant l’étape Z.
      REMARQUE : Changer la hauteur de l’étape Z assurera des ajustements dans la profondeur et la largeur du modèle de point.
  6. Détachez le film en polymère du support du film et mesurez la largeur et la profondeur de chaque motif à l’aide d’un microscope confocal (voir tableau des matériaux),comme le montre la figure 4A.
    1. Avant de commencer le processus de mesure, sélectionnez la valeur de grossissement du microscope et utilisez le mode d’observation directe d’abord pour ajuster la position de balayage du film en polymère. Après ajustement de la position au moyen d’une observation directe, fixez le film en polymère et modifiez le mode de numérisation au mode de numérisation laser.
      REMARQUE : Lors de l’utilisation du microscope confocal, il est recommandé d’utiliser un panneau acrylique pour corriger l’échantillon, comme le montre la figure 4B.
    2. En utilisant le mode de balayage laser, mesurer la profondeur et la largeur du modèle de point.
  7. Répétez les étapes 3.3.2-3.6.2 après avoir changé le type de film.
    REMARQUE : Compte tenu de la température de transition en verre de chaque type de film, fixez la température de la plaque de chaleur avant de placer chaque film sur la plaque de chaleur. Dans cette étude, la température de transition en verre du film en PVC est de 100 oC; pour le film PMMA, il est à 95 oC, et pour le film PET, il est de 75 oC.

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Representative Results

Le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact est un processus qui peut être utilisé pour graver des motifs de points sur un film en polymère en temps réel, comme le montre la figure 1. Ce processus peut résoudre les problèmes du coût élevé et des longs délais pour le remplacement des motifs associés au processus de gaufrage chaud existant. Un circuit de contrôle a été construit, comme le montre la figure 2 (voir les étapes 2.3-2.3.9), en utilisant le DAQ, l’OP-AMP et l’alimentation électrique pour sculpter des modèles sur divers types de films en polymère par la mise en œuvre de l’en-tête d’impact pendant l’opération en cours. Le processus de gaufrage à chaud de type impression mis en œuvre est indiqué dans la figure 3.

Dans des études antérieures sur le gaufrage à chaud de type impression d’impact, seules des expériences sur les films PMMA ont été validées, alors qu’aucun autre film en polymère n’a été testé. Afin de vérifier que le gaufrage chaud de type impression d’impact peut graver des motifs sur d’autres films en polymère en temps réel, des expériences ont été réalisées à l’aide de films PMMA, de films en PVC et de films PET. La hauteur de l’en-tête d’impact a été réduite de 10 m pour chaque trois points à l’aide d’un Z-stage, et nous avons testé si neuf points pouvaient former un modèle de point avec différentes hauteurs sur les trois types de films. À l’aide de l’équipementindiqué dans la figure 3 , un motif de point a été créé sur les trois films en polymère, et un microscope confocal a été utilisé pour observer le modèle (voir l’étape 3.6).

Le modèle de point est indiqué dans la figure 4B. Comme le montre la figure 4B, neuf points ont été utilisés, et la taille du modèle est passée de l’échantillon 1 (S1) à l’échantillon 3 (S3) parce que la hauteur de l’étape Z a diminué de 10 m. Dans ce cas, les images bidimensionnelles (2D) du microscope confocal des trois films polymères sont montrées à la figure 5. L’image 2D de la figure 5 montre la partie S1 de chaque modèle. La figure 5A montre un échantillon de film PET de 50 m d’épaisseur, la figure 5B montre un échantillon de film PMMA de 175 m d’épaisseur et la figure 5C montre un échantillon de film en PVC de 300 m d’épaisseur. La figure 6 montre des micrographies 2D d’un motif de point et des micrographes 3D de S1 utilisant le mode de balayage laser (LSM) du microscope confocal. Comme le montre la figure 6, nous pouvions mesurer la largeur et la profondeur du motif de chaque point, et le modèle était clairement observable par l’image 2D d’un point.

La largeur et les résultats de profondeur des neuf modèles de points sur les trois films en polymère utilisant la fonction 3D du microscope confocal sont montrés dans le tableau 1. Le film PET est plus mince que les autres films en polymère. Par conséquent, nous avons créé l’échantillon avec soin afin que l’en-tête d’impact ne touche pas la plaque de chaleur lorsque l’étape Z a été ajustée. Pour le PET, en S1, les valeurs moyennes de la largeur et de la profondeur du modèle étaient respectivement de 110,6 m et de 10,3 m, avec des erreurs correspondantes de 5,6 à 6,2 % et de 3,3 à 1,7 %. Pour S2, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 m, les valeurs moyennes pour la largeur et la profondeur du modèle ont changé à 155,2 m et 17,0 m respectivement, avec des erreurs correspondantes de 5,2 à 2,8 % et de 3,0 à 2,0 %. Pour S3, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 millions d’euros, les valeurs moyennes pour la largeur et la profondeur du modèle ont changé à 170,8 m et 25,7 m respectivement, avec des erreurs correspondantes de 2,8 à 4,2 % et de 2,7 à 2,3 %.

Pour la PMMA, en S1, les valeurs moyennes de la largeur et de la profondeur du modèle étaient respectivement de 240,2 m et de 112,2 m, avec des erreurs correspondantes de 1,2 à 1,3 % et de 4,1 à 2,8 %. Pour S2, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 m, les valeurs moyennes pour la largeur et la profondeur du modèle ont changé à 250,0 m et 129,8 m respectivement, avec des erreurs correspondantes de 2,0 à 2,0 % et de 1,8 à 1,1 %. Pour S3, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 millions d’euros, les valeurs moyennes pour la largeur et la profondeur du modèle ont changé à 281,2 m et 141,3 m, avec des erreurs correspondantes de 3,1 à 3,8 % et de 3,3 à 2,6 %.

En PVC, en S1, les valeurs moyennes de la largeur et de la profondeur du modèle étaient respectivement de 236,4 m et de 136,1 m, avec des erreurs correspondantes de 6,3 à 4,0 % et de 5,6 à 3,9 %. Pour S2, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 m, les valeurs moyennes de la largeur et de la profondeur du modèle ont changé à 250,8 m et 150,7 m respectivement, avec des erreurs correspondantes de 2,5 à 2,4 % et de 2,1 à 2,8 %. Pour S3, après que la hauteur de l’étape Z a été diminuée de 10 millions d’euros, les valeurs moyennes de la largeur et de la profondeur du modèle ont changé à 263,5 m et 159,2 m, avec des erreurs correspondantes de 6,7 à 11,7 % et de 5,0 à 7,5 %.

Les graphiques de la profondeur et de la largeur du modèle pour les trois films en polymère sont montrés dans la figure 7. La hauteur de la Z-étape a été diminuée de 10 m pour tous les trois modèles de points de S1 à S3, de sorte que la largeur et la profondeur du film ont augmenté de S1 à S3. L’erreur maximale était de l’ordre de -6,7 à 11,7 % pour le PVC et l’erreur minimale variait de -1,2 à 1,3 % pour la PMMA. En conclusion, les erreurs dans les modèles de points pour les trois types de films sont mineures. Cela montre que le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact convient à la gravure des micropatternes sur les films en polymère en temps réel.

Figure 1
Figure 1 : Conception de la technologie de gaufrage chaud de type impression d’impact. (A) Une conception 3D du processus de gaufrage chaud de type impression d’impact, (B) conception du support du film. Le porteur du film peut se déplacer dans les directions Motion 1 et Motion 2 et peut être utilisé pour fixer le film ou pour le déplacer sur le côté. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Conception schématique du circuit des amplificateurs d’électricité. Dans cette image, six appareils sont utilisés pour créer le circuit : une alimentation avec deux canaux, un amplificateur opérationnel de haute puissance (OP-AMP), un dispositif de commande, un en-tête d’impact et deux composants de résistance avec des valeurs différentes. Chaque appareil est connecté dans l’image, et les lignes de connexion sont affichées dans différentes couleurs. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Mise en œuvre du processus de gaufrage et du circuit de contrôle à effet imprimé. (A) Mise en œuvre du processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact, et (B) paramètres expérimentaux du système de contrôle S’il vous plaît cliquez ici pour afficher une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Matériel de microscope confocal et film PET avec des motifs de points. (A) Matériel de microscope confocal pour mesurer les largeurs de motif et les profondeurs des modèles de points sur le film en polymère. (B) Modèles de points sur le film PET. Les neuf modèles sont divisés en trois sections de la profondeur la plus basse des modèles de points (S1, S2, S3), et chaque section a trois points. Les micrographes sont pris en utilisant la fonction 2D du microscope confocal. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Photomicrographes bidimensionnels à l’aide d’un microscope confocal. (A) Un photomicrographe 2D du film PET de 50 m, (B) photomicrographe 2D du film 175 PMMA, et (C) photomicrographe 2D du film en PVC 300 S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Micrographes bidimensionnels d’un motif de point et de micrographes 3D de S1 utilisant le mode LSM du microscope confocal. (A) Un micrographe 3D de trois modèles de points et un micrographe 2D d’un motif de point sur le film PET de 50 m d’épaisseur. (B) Un micrographe 3D de trois modèles de points et un micrographe 2D d’un modèle de point sur le film PMMA de 175 m d’épaisseur. (C) Un micrographe 3D de trois modèles de points et un micrographe 2D d’un modèle de point sur le film en PVC de 300 m d’épaisseur S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Graphiques des largeurs et des profondeurs de motif pour S1, S2 et S3 sur trois films en polymère. La position de l’étape Z a été augmentée de 10 millions d’euros pour chaque trois modèles de points de S1 à S3, et chaque graphique est basé sur les données présentées dans le tableau 1. (A) Le résultat de la largeur du motif et de la profondeur du motif pour le film PET. (B) Le résultat de la largeur du motif et de la profondeur de modèle pour le film PMMA. (C) Les résultats de la largeur du modèle et de la profondeur de modèle pour le film en PVC. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Film polymère Numéro d’échantillon Moyenne de la largeur des motifs (m) Moyenne de la profondeur des motifs (m) Taux d’erreur Largeur (%) Taux d’erreur Profondeur (%)
PVC Film S1 236.4 136.1 -6,3 à 4,0 % -5,6 à 3,9 %
S2 (S2) 250.8 150.7 -2,5 % à 2,4 % -2,1 à 2,8 %
S3 (en) 263.5 159.2 -6,7 % à 11,7 % -5,0 à 7,5 %
PMMA Film S1 240.2 112.2 -1,2 à 1,3 % -4,1 à 2,8 %
S2 (S2) 250 129.8 -2,0 à 2,0 % -1,8 à 1,1 %
S3 (en) 281.2 141.3 -3,1 à 3,8 % -3,3 à 2,6 %
PET Film S1 110.6 10.3 -5,6 à 6,2 % -3,3 à 1,7 %
S2 (S2) 155.2 17 -5,2 à 2,8 % -3,0 à 2,0 %
S3 (en) 170.8 25.7 -2,8 à 4,2 % -2,7 à 2,3 %

Tableau 1 : Résultats de mesure de neuf modèles de points sur trois films en polymère. Les valeurs dans le tableau ont été mesurées à l’aide de la fonction de mesure 3D du microscope confocal et représentent les valeurs moyennes des largeurs et des profondeurs du modèle et des erreurs de modèle pour S1, S2 et S3.

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Discussion

Dans cette étude, nous avons mis en œuvre le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact et des motifs de points gravés avec différentes largeurs et profondeurs sur une gamme de films en polymère en temps réel. Parmi les étapes du protocole, deux étapes devraient être prises en considération de manière critique entre toutes les étapes. Le premier est le réglage de la température de la plaque thermique (étape 3.3.3), et le second est le réglage de la position initiale de l’en-tête d’impact (étape 3.5.1). Dans l’étape 3.3.3, si la température de la plaque de chaleur est trop élevée, il devient difficile de former un modèle parce que la viscosité du film entrave la création d’un motif fin. D’autre part, si la température de la plaque de chaleur est trop basse, le motif n’est pas gravé en douceur. Le facteur de la position initiale de l’en-tête d’impact est important parce que la position de l’en-tête d’impact est liée à la profondeur et à la largeur du modèle. De plus, si la hauteur de l’en-tête de l’impact est trop basse, le mouvement de l’en-tête d’impact entrera en collision avec la plaque thermique, causant des dommages au déménageur et à la plaque thermique. Ces dommages s’usent non seulement sur la pointe du déménageur, mais ont également un effet négatif sur la hauteur et la largeur du motif gravé dans l’étape suivante. Pour ces raisons, pendant les étapes 3.3.3 et 3.5.1, la température de chauffage et l’état d’allumage doivent être soigneusement examinés.

Dans des travaux antérieurs sur le gaufrage chaud de type impact, un processus de modèle de point a été utilisé avec le film DE PMMA, avec des erreurs d’écart se produisant en raison d’un problème de fixation associé au film de polymère15,16.15 Pour résoudre ce problème, la fixation du film polymère à l’aide de supports de film des deux côtés de la plaque de chaleur a été envisagée, et cette stratégie a réduit l’erreur par rapport aux valeurs antérieures. Il a également été montré que les motifs de points avec différentes largeurs et profondeurs peuvent être gravés sur divers films en polymère, tels que les films PET et PVC, en temps réel. En comparant le taux d’erreur de la PMMA avec ceux des processus de gaufrage chauds précédents, les résultats de chaque échantillon de film ont montré que les erreurs dans les largeurs et les profondeurs du modèle ont été considérablement réduites.

Cependant, il restait une erreur dans les modèles de points. Nous avons examiné deux causes de ces erreurs. Le premier est lié au changement de surface dû à la température de transition en verre du film en polymère. Lorsque chaque film est chauffé au-dessus de sa température de transition en verre, la surface du film en polymère devient molle, et la surface du film augmente légèrement même si elle reste fixe tout en utilisant le support du film, provoquant une erreur. Pour éviter cela, si la température de la plaque thermique est inférieure à la température de transfert de verre, la combinaison de la structure moléculaire du film polymère est plus forte, mais le modèle sur le film en polymère n’est pas gravé ainsi. Par conséquent, il est lourd de trouver la valeur optimale pour chaque film en polymère correspondant grâce à des expériences répétées. La deuxième cause est le problème de déséquilibre de la plaque thermique. La surface de la plaque de chaleur qui chauffe le film pendant le processus de gaufrage chaud doit être entièrement horizontale pour graver la hauteur des motifs de points uniformément. Toutefois, si la plaque thermique est légèrement inclinée, des erreurs dans la largeur du modèle ou la hauteur du motif se produiront lorsque le modèle utilise une position différente. Pour résoudre ce problème, nous considérons qu’un appareil qui peut numériser la hauteur d’une surface en temps réel doit être fixé à l’en-tête d’impact. D’autres recherches devraient être faites sur les dispositifs de numérisation pour mesurer correctement la hauteur de surface.

La précision des motifs produits par le processus suggéré a également des limites. La largeur et la profondeur de chaque motif dépendent du diamètre de la pointe du déménageur (tête d’impact) et de la profondeur à laquelle le déménageur grave sur le film en polymère. Le diamètre de la pointe du déménageur utilisé dans ce processus est de 9 m, et la précision du motif gravé a une largeur minimale de 9 m. Cependant, les processus de gaufrage chaud de type plaque à plaque existants offrent des niveaux de précision de modèle dans la gamme nm. Ce manque de précision d’un motif peut être résolu en réduisant le diamètre de la pointe du déménageur dans l’en-tête d’impact. Jusqu’à présent, les recherches sont insuffisantes sur les processus mécaniques ou chimiques pour le traitement des pointes des déménageurs en unités nm. Si des études sur les processus mécaniques ou chimiques sont menées afin que la pointe du déménageur puisse être traitée en unités nm, on s’attend à ce que ces limitations soient surmontées. Pourtant, contrairement aux méthodes conventionnelles, le processus proposé permet des modifications au modèle de gravure en temps réel en utilisant l’en-tête d’impact, ce qui offre l’avantage de changer le nouveau modèle ou de remplacer le modèle si un processus erroné est trouvé.

Ensuite, nous avons comparé la vitesse de traitement du processus proposé avec celle du processus de gaufrage chaud de type roll-to-roll existant. Pour le type classique de roulis, la vitesse du processus est de 10 mm/s12. Le processus de gaufrage à chaud de type impression proposé offre une fréquence de performance de 6 Hz-10 Hz. Si dix points sont supposés sur un film en polymère de 10 mm, la vitesse de traitement est de 6 mm/sec et le maximum est de 10 mm/s. Par conséquent, la vitesse de traitement varie selon le modèle requis par l’utilisateur. Par conséquent, le processus peut être appliqué à la production de masse et à divers processus de production de produits et de petits volumes.

Si nous continuons à développer notre technologie actuelle, elle sera en mesure de graver des modèles continus en plus des modèles de points. La gravure des motifs continus peut être utile de diverses façons. Par exemple, en plaçant des éléments électriques ou en appliquant de l’encre conductrice sur le motif gravé, un circuit microélectrique peut être fabriqué. Notamment, parce que ce processus est lié à des travaux sur la gravure de micro- ou nanopatternes sur des films polymères, il peut être appliqué pour fabriquer des dispositifs flexibles. De plus, comme notre méthode est comme les processus de gaufrage à chaud existants, ce travail peut être utilisé pour fabriquer des stratifiés en cuivre flexibles (FCCL) ou des circuits imprimés flexibles (FPCBs). En outre, afin d’appliquer le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact à un plus large éventail de matériaux, tels que des dispositifs portables ou des capteurs, il est nécessaire de changer le modèle de point en utilisant diverses largeurs et profondeurs selon l’appareil. Le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact étudié ici a l’avantage de pouvoir graver divers motifs tout en ajustant les largeurs et les profondeurs des motifs en temps réel. En outre, la technologie mentionnée dans le protocole utilise un processus plus simple que le processus de modelage conventionnel. Par conséquent, nous sommes convaincus que la technologie de gaufrage chaud de type impression d’impact peut être étendue non seulement à la production de masse, mais aussi à l’industrie de la production de lots à petite quantité à l’avenir.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer

Acknowledgments

Cette recherche est soutenue par le projet intitulé « Développement de la technologie de gaufrage à chaud de type impression d’impact pour une couche conductrice utilisant des matériaux nano-composites conducteurs » par l’intermédiaire du Ministère coréen du commerce, de l’industrie et de l’énergie (MOTIE) de Corée (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).

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Ingénierie Numéro 158 en-tête d’impact gaufrage chaud impression embossing d’impact motif fin motif grave
Étude d’un processus de modèle de point sur les matériaux flexibles à l’aide de la technologie d’embossing chaud de type d’impression d’impact
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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).

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