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Engineering

Untersuchung eines Punktmusterprozesses auf flexiblen Materialien mit Impact Print-Type Hot Embossing Technology

doi: 10.3791/60694 Published: April 6, 2020

Summary

Die Effektdruck-Hot prägeing-Technologie verwendet einen Schlagkopf, um Punktmuster auf flexiblen Materialien in Echtzeit zu gravieren. Diese Technologie verfügt über ein Steuerungssystem zur Steuerung der On-Off-Bewegung und Position des Aufprallkopfes, um Punktmuster mit verschiedenen Breiten und Tiefen auf verschiedenen Polymerfolien zu erstellen.

Abstract

Hier stellen wir unsere Studie zu einem Schlagdruck-Heißprägungsprozess vor, der Punktmuster mit verschiedenen Designs, Breiten und Tiefen in Echtzeit auf Polymerfolie erzeugen kann. Darüber hinaus haben wir ein Steuerungssystem für die On-Off-Bewegung und Position des Aufprallkopfes implementiert, um verschiedene Punktmuster zu gravieren. Wir führten Punktmusterung auf verschiedenen Polymerfolien durch, wie Z. Polyester (PET)-Folie, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylchlorid (PVC) Film. Die Punktmuster wurden mit einem konfokalen Mikroskop gemessen, und wir bestätigten, dass der Schlagdruck-Heißprägungsprozess weniger Fehler während des Punktmusterungsprozesses erzeugt. Infolgedessen eignet sich das Schlagdruck-Heißprägeverfahren für das Gravieren von Punktmustern auf verschiedenen Arten von Polymerfolien. Darüber hinaus verwendet dieser Prozess im Gegensatz zum herkömmlichen Heißprägeverfahren keinen Prägestempel. Daher ist der Prozess einfach und kann Punktmuster in Echtzeit erstellen, was einzigartige Vorteile für die Massenproduktion und die Kleinserienproduktion bietet.

Introduction

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Die Forscher versuchen aktiv, vorhandene Geräte und Displays zu miniaturisieren und die Flexibilität dieser Geräte zu erhöhen1,2. Um die Breite und Tiefe elektrischer Kanäle auf die Mikro- oder Nanoskala zu reduzieren, ist eine hochpräzise Technologie erforderlich. Um die Flexibilität dieser Geräte zu erhöhen, müssen die Muster der elektrischen Kanäle auf einem flexiblen Material, wie z. B. einem Polymerfilm3,4, liegen. Um diesen Bedingungen gerecht zu werden, wird die Ultrafein-Mikroverarbeitungstechnologie aktiv untersucht.

Die ultrafeine Mikrofabrikationstechnologie hat einen Vorteil, da mögliche Mustermaterialien nicht nur hochsteife Materialien wie Eisen oder Kunststoff, sondern auch weiche Materialien wie Polymerfolien umfassen. Aufgrund dieser Vorteile wird diese Technologie als Kernverfahren in verschiedenen Bereichen wie Kommunikation, Chemie, Optik, Luft- und Raumfahrt, Halbleiter und Sensoren5,6,7eingesetzt. Im Bereich der ultrafeinen Mikroverarbeitung werden LIGA (Lithographie, Galvanik und Formgebung) oder Mikrobearbeitungsverfahren8eingesetzt. Diese konventionellen Methoden sind jedoch mit mehreren Problemen verbunden. LIGA-Methoden benötigen viel Zeit und mehrere Prozessschritte, um ultrafeine Muster zu erstellen und hohe Kosten zu verursachen, da sie während der Prozesse viele verschiedene Gerätetypen benötigen. Darüber hinaus verwenden LIGA-Methoden Chemikalien, die die Umwelt verschmutzen können.

Um dieses Problem zu lösen, wurde die Warmprägungsprozesstechnologie unter den ultrafeinen Mikroprozesstechnologien inden Gerückt. Heißprägung ist eine Technologie, die ein Muster auf einem erhitzten Polymerfilm mit einer mikro- oder nanoskaligen Prägungsform erzeugt. Die herkömmliche Heißprägetechnik ist je nach Form der Form in den Plattentyp und den Roll-to-Roll-Typ unterteilt. Die beiden Arten der Heißprägetechnologie unterscheiden sich in Bezug auf die Form der Form, aber diese beiden Verfahren ähneln sich insofern, als die Prägeform den Polymerfilm auf eine beheizte Platte presst, um ein Muster auf den Polymerfilm zu gravieren. Um das Muster mit dem Heißprägeverfahren zu gravieren, ist es notwendig, den Polymerfilm über der Glasübergangstemperatur zu erwärmen und eine ausreichende Druckmenge (ca. 30–50 MPa)9anzuwenden. Darüber hinaus ändern sich die Breite und Tiefe des Musters in Abhängigkeit von der Temperatur der beheizten Platte, dem Material und der Form der Prägeform. Darüber hinaus wirkt sich das Kühlverfahren nach dem Musterprozess auf die Form des Musters auf dem Polymerfilm aus.

Im herkömmlichen Heißprägeverfahren können Prägestempel oder Walzen mit dem gewünschten Muster geprägt werden, und die Prägeform kann verwendet werden, um das gleiche Muster kontinuierlich auf Polymerfolienoberflächen zu drucken. Diese Funktion macht dieses Verfahren nicht nur für die Massenproduktion geeignet, sondern auch für die Herstellung von Geräten mit weichen Materialien, wie Polymerfolien10,11,12,13,14. Die herkömmliche Heißprägungsmethode kann jedoch nur das in der Prägeform eingravierte Einzelne Muster erzeugen. Wenn der Benutzer also ein neues Muster erstellen oder das Muster ändern möchte, muss er eine neue Form erstellen, um das Prägemuster zu ändern. Aus diesem Grund ist herkömmliche swarm prägende Ausführung teuer und zeitaufwändig, wenn neue Muster erstellt oder bestehende Designs ersetzt werden.

Frühere Arbeiten führten das Schlagart-Heißprägungsverfahren zur Herstellung von Punktmustern mit verschiedenen Breiten und Tiefen in Echtzeit15ein. Im Gegensatz zum herkömmlichen Heißprägungsprozess verwendet das Schlagdruck-Hot prägeverfahren einen Impact-Header, um Muster auf dem Polymerfilm zu erstellen. Diese Technologie verschiebt den Aufprallkopf mit einem Präzisionspositioniersystem an die gewünschte Position. Ein Steuersignal wird auf Druckmuster in der gewünschten Breite und Tiefe und an einer beliebigen Position angewendet. Die Struktur des Aufprallkopfes besteht aus einem Mover, einer Feder, einer Spulenwicklung und einem Kern (siehe Abbildung 1A)15. Frühere Arbeiten wurden durch eine Analyse und ein Experiment bestätigt, dass ein solcher Aufprallkopf die richtige Kraft für die heiße Prägung16erzeugen kann. Das Protokoll dieses Papiers behandelt das Design der Hardware für den Schlag-Typ-Hotprägeprozess und die Steuerungsumgebung für die Prozesssteuerung. Darüber hinaus analysieren wir die Punktmuster auf PET-Folie, PMMA-Folie und PVC-Folie, die alle mit dem vorgeschlagenen Protokoll verarbeitet werden, um zu überprüfen, ob der Schlagdruck-Hot prägungsprozess Punktmuster mit verschiedenen Breiten und Tiefen in Echtzeit erzeugen kann. Die Ergebnisse dieser Experimente werden unten im Ergebnisbereich vorgestellt, was bestätigt, dass der Prägeprozess geeignet sind kann, ultrafeine Muster zu erzeugen.

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Protocol

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1. Herstellung des Schlagdruck-Hot prägeprozesses

  1. Erstellen Sie Modell 1 und kombinieren Sie es mit einer X-Stufe (siehe Abbildung 1).
    HINWEIS: Es wird empfohlen, das Modell 1 aus Aluminium zu machen, um zu vermeiden, dass Wärme auf die X-Bühne geleitet wird. Darüber hinaus wird empfohlen, dass die Länge des Modells 1 der Abstand zwischen der Oberfläche der Wärmeplatte und der niedrigsten Höhe der Lagerplatte der Z-Stufe sein sollte, da das Design des Modells 1 mit der Größe der Wärmeplatte variiert.
  2. Kombinieren Sie die X-Bühne und die Z-Bühne und montieren Sie die Z-Bühne und das Model 2.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass Das Modell 2 aus einem Metall besteht, das die Wärme der Wärmeplatte (z. B. Aluminium) aushalten kann. Wenn Sie Das Modell 2 fest an der Z-Bühne festfix fixieren, wird die Fähigkeit der Z-Bühne sichergestellt, das Gewicht von Model 2 und den Aufprallkopf zu halten.
  3. Kombinieren Sie Modell 2 und den Aufprallkopf und platzieren Sie die Wärmeplatte unter Modell 1.
    HINWEIS: Durch das Verbinden des Aufprallkopfs mit der niedrigsten Position auf Modell 2 wird sichergestellt, dass der Mover die Oberfläche der Wärmeplatte erreicht. Es wird empfohlen, die Wärmeplatte nach dem Anheben der Z-Stufe maximal zu installieren, um jeglichen Kontakt des Aufprallkopfes mit der Oberfläche der Wärmeplatte zu vermeiden. Verwenden Sie geeignete Software, um die Bühne zu steuern.
  4. Konvertieren Sie die STL-Dateien des Filmhalters(Zusatzdatei 1 und Zusatzdatei 2) mit geeigneter Software in GCODE-Dateien, um den Filmhalter mit einem dreidimensionalen (3D) Drucker zu drucken.
    HINWEIS: Die Software kann je nach verwendetem 3D-Drucker variieren, und einige Umgebungen unterstützen möglicherweise 3D-Druckerumgebungen ohne GCODE-Konvertierung.
  5. Verwenden Sie den 3D-Drucker, um den Filmhalter mit der GCODE-Datei zu drucken.
    HINWEIS: Die Verwendung eines Filaments (z. B. Z-HIPS) wird empfohlen, da beim Drucken großer Teile, wie z. B. des Filmhalters, weniger Kontraktionen auftreten.
  6. Installieren Sie zwei Folienhalter am Ende der Wärmeplatte und fixieren Sie die Polymerfolie auf den Filmhalter, wie in Abbildung 1dargestellt. Um sicherzustellen, dass die Polymerfolie flach auf der Wärmeplatte ist, ziehen Sie den Polymerfilm so weit wie möglich mit Bewegung 1 des Filmhalters (siehe Abbildung 1B). Um den Polymerfilm zur Seite zu bewegen, bewegen Sie den Filmhalter über Bewegung 2 (siehe Abbildung 1B).
    HINWEIS: Um den Polymerfilm auf dem Filmhalter zu befestigen, wird empfohlen, eine Schraube zu verwenden. Kleber reicht nicht aus, um den Polymerfilm auf dem Filmhalter anzubringen, und er eignet sich am besten für die Ablösung des Polymerfilms nach dem Musterexperiment.

2. Herstellung des Steuerkreises

HINWEIS: Dieser Prozess beschreibt den Prozess des Aufbaus des Steuerkreises des Aufprallkopfes und der X-Z-Stufe.

  1. Schließen Sie das Steuergerät, das die Signale sendet (siehe Tabelle der Materialien) an den Aufprallkopf, um es zu steuern.
  2. Nachdem Sie das Steuergerät mit dem Aufprallkopf verbunden haben, geben Sie -3 V und +10 V als Steuersignale in den Aufprallkopf ein.
    HINWEIS: Wenn ein +10 V-Steuersignal an den Aufprallkopf gesendet wird (siehe Abbildung 1), geht der Mover (Aufprallkopf) nach unten und tritt in den Einschaltzustand ein. In diesem Zustand trifft der Mover auf den Polymerfilm und graviert das Muster auf dem Polymerfilm.
    1. Erhöhen Sie den Mover, um das nächste Muster zu gravieren, nachdem Sie ein Muster mit dem Mover des Aufprallkopfes graviert haben. Um den Mover (Aufprallkopf) anzuheben, wenden Sie das Steuersignal -3 V an.
      HINWEIS: Eine negative Spannung wird in den Aufprallkopf eingegeben, um zu verhindern, dass der Mover durch den inneren Restfluss des Aufprallkopfes magnetisiert wird.
  3. Wenn das Steuergerät kein ausreichendes Steuersignal liefern kann, verwenden Sie einen Hochleistungs-Betriebsverstärker (z. B. OP-AMP), der das Steuersignal von 0 V–5 V auf 3 V–+10 V verstärkt, wie in Abbildung 2dargestellt, um den Aufprallkopf zu steuern.
    1. Bereiten Sie zunächst ein zweikanaliges Gleichstromnetzteil vor (siehe Tabelle der Materialien). Schließen Sie nach diesem Schritt vier Knoten an, um Common Ground (GND)-Knoten an alle Kanäle zu liefern: eine positive Spannungsklemme (V1+) und eine Masseklemme (GND) für Kanal 1 und eine Negative-Spannungsklemme (V2-) und Masse (GND) für Kanal 2. Ein gesamtes Verbindungsdiagramm ist in Abbildung 2dargestellt.
      HINWEIS: Gemäß dem in 2.3.1 beschriebenen Schritt können positive und negative Spannung mit unterschiedlichen Absolutwerten an den Operationsverstärker (OP-AMP) geliefert werden.
    2. Schließen Sie die Negativspannungsklemme von Kanal 1 (V1-) des Netzteils an die negative Netzspannungsklemme (Vs-) des OP-AMP an, wie durch die blaue Leitung in Abbildung 2angegeben. Anschließend Eingang 3 VV-Spannung zu Kanal 1.
      HINWEIS: Gemäß Schritt 2.3.1 wird die 3 V Vcc Spannung als -3 V negative Spannung an die negative StromversorgungSpannungsklemme (Vs-) des OP-AMP geliefert.
    3. Schließen Sie die positive Spannungsklemme von Kanal 2 (V2+) des Netzteils an die positive Stromversorgungsspannungsklemme (Vs+) des OP-AMP an, wie die rote Linie in Abbildung 2anzeigt. Anschließend Eingang 10 VV-Spannung zu Kanal 2.
      HINWEIS: Gemäß Schritt 2.3.1 wird die 10 VV-Vcc-Spannung als +10 V-Positivespannung an die positive Stromversorgungsspannungsklemme (Vs+) des OP-AMP geliefert.
    4. Schließen Sie den +Output-Kanal eines Steuergeräts (Vcon+) an den positiven Eingangskanal (Vin+) des OP-AMP an, wie die grüne Linie in Abbildung 2zeigt.
    5. Schließen Sie den -Output-Kanal eines Steuergeräts (Vcon-) an den Boden (GND) von Kanal 2 des Netzteils an, wie die schwarze Linie in Abbildung 2zeigt.
      HINWEIS: Beim Anschluss des (Vcon-) mit dem Boden (GND) ist es möglich, ihn zusätzlich zum GND von Kanal 2 an eine der Klemmen anzuschließen, die in Schritt 2.3.1 angeschlossen sind.
    6. Bereiten Sie den elektrischen Widerstand von jeweils 1 k' und 10 k'-Werten vor und verbinden Sie sie zwischen der roten und der schwarzen Linie, wie in Abbildung 2dargestellt.
    7. Schließen Sie die Klemme zwischen 1 k und 10 k' an den negativen Eingangskanal des OP-AMP (Vin-), wie die violette Linie in Abbildung 2zeigt.
    8. Ziehen Sie die Leitungen aus dem Ausgangskanal des OP-AMP (Vout) und einer der in Schritt 2.3.1 beschriebenen elektrischen Klemmen. Verbinden Sie die Linien mit dem Aufprallkopf, wie die orangefarbene Linie in Abbildung 2zeigt.
    9. Legen Sie hinsichtlich des Netzteils die Spannungen von Kanal 1–3 Vcc und Kanal 2–10 Vcc fest. Anschließend erzeugen Sie vom Steuergerät Steuersignale von 0 V–5 V.
      ANMERKUNG: Die erzeugten Steuersignale von 0 V–5 V werden durch den OP-AMP auf 3 V–+10 V verstärkt, was erforderlich ist, um den Aufprallkopf zu steuern, wie in den Schritten 2.2.1 und 2.2.2 beschrieben.

3. Versuchsdesign

HINWEIS: In diesem Abschnitt werden die Prozesse der Steuerung der Schlag-Heißprägevorrichtung und der Gravur von Punktmustern auf den Polymerfilm beschrieben.

  1. Installieren Sie ein Stufensteuerungsprogramm (z. B. Micromove), um die X-Bühne und die Z-Bühne über einen Steuerrechner (PC) zu steuern.
  2. Installieren Sie die DaQ-Treibersoftware, um das Steuergerät auf dem Steuergerät zu erkennen, das den Aufprallheader steuert, und installieren Sie ein Betriebssystem (z. B. MATLAB), um das Steuergerät zu steuern.
  3. Erstellen Sie nach der Installation der Software die Hardwareumgebung, wie in Abbildung 3A dargestellt, um das Musterexperiment durchzuführen.
    1. Installieren Sie die X-Stufe, die Z-Stufe, den Aufprallkopf, den Filmhalter und die Wärmeplatte, wie in Abbildung 3A dargestellt, um die Hardwareumgebung zu konstruieren.
    2. Fixieren Sie den Polymerfilm auf den Filmhalter und passen Sie die Position des Polymerfilms mit den Bewegungen 1 und 2 (siehe Abbildung 1B) an, um den Film flach zu fixieren.
      HINWEIS: Um den Film flach zu halten, während die Richtung 2 eingestellt wird, sollten die Positionen der beiden Filmhalter parallel sein. Um die Folie flach auf der Wärmeplatte zu machen, wird empfohlen, den Filmhalter einzustellen, indem Sie die Position nach Richtung 1 senken, wie in Abbildung 1Bdargestellt.
    3. Passen Sie nach der Fixierung des Polymerfilms die Temperatur der Wärmeplatte an, um den Film über der Glasübergangstemperatur zu erwärmen.
      HINWEIS: Jeder Filmtyp hat seine eigene Glasübergangstemperatur. Daher wird empfohlen, die Temperatur der Wärmeplatte nach Überprüfung der Materialeigenschaften der Folie im entsprechenden Datenblatt auf ihre eigene Glasübergangstemperatur einzustellen.
  4. Nachdem Sie die Hardware gesetzt haben, setzen Sie die Steuerschaltung zusammen, wie in Abbildung 3B dargestellt, um die Bühne und den Aufprallkopf zu steuern.
    1. Bereiten Sie PC, Steuerplatine, Netzteil und OP-AMP vor, um die Steuerungsumgebung zu konstruieren, wie in Abbildung 3Bdargestellt. Schließen Sie die Geräte wie in Abbildung 2 dargestellt an, und schließen Sie den Computer dann an die Steuerplatine an.
    2. Geben Sie die Werte 3 Vcc und 10 Vcc über die Kanäle 1 bzw. 2 des Netzteils in einen OP-AMP ein, wie in Schritt 2.3.9 beschrieben.
  5. Steuern Sie die Phase und den Aufprallheader mithilfe des Steuerungscomputers.
    1. Passen Sie die Anfangsposition des Aufprallkopfs an, indem Sie X- und Z-Stufen mithilfe des Stufensteuerungsprogramms steuern.
      HINWEIS: Stellen Sie beim Anpassen der Anfangsposition des Aufprallkopfes sicher, dass es keine Kollision zwischen dem Aufprallkopf und der Wärmeplatte gibt. Wenn die Position der Z-Stufe zu niedrig ist, kollidiert der Mover mit der Wärmeplatte und beschädigt sowohl den Mover als auch die Wärmeplatte. Wenn beide Geräte beschädigt werden, wird dies die Bildung von feinen Mustern auf einem polymeren Material behindern.
    2. Erzeugen Sie mit dem Bedienprogramm ein 5 V-Steuersignal vom Steuergerät. Gemäß den Schritten 2.3.1–2.3.9 verstärkt der OP-AMP das 5 V-Steuersignal auf +10 V, schaltet den Aufprallkopf ein und graviert die Muster auf dem Polymerfilm.
    3. Generieren Sie nun ein 0 V-Steuersignal vom Steuergerät über das Bedienprogramm. Gemäß den Schritten 2.3.1–2.3.9 verstärkt der OP-AMP das 0 V-Steuersignal auf -3 V und schaltet den Aufprallkopf aus.
      HINWEIS: Der Mover des Aufprallkopfs wird ausgelöst und wartet darauf, das neue Muster zu gravieren.
    4. Verschieben Sie die X-Stufe in Position, um das nächste Muster zu gravieren.
    5. Gravierte Muster 3x auf dem Polymerfilm, indem schritte 3.5.1–3.5.4 sequenziell wiederholt wird.
    6. Senken Sie die Z-Stufe 10 m von der Anfangsposition und führen Sie Schritt 3.5.5 aus, wobei die Anzahl der Z-Stufenzüge gezählt wird. Wenn die Anzahl der Z-Stufenbewegungen drei überschreitet, verschieben Sie die X-Stufe in die Ausgangsposition, und erhöhen Sie den Aufprallkopf maximal, indem Sie die Z-Bühne verschieben.
      HINWEIS: Durch das Ändern der Höhe der Z-Bühne werden Anpassungen in der Tiefe und Breite des Punktmusters sichergestellt.
  6. Lösen Sie die Polymerfolie vom Filmhalter und messen Sie die Breite und Tiefe jedes Musters mit einem konfokalen Mikroskop (siehe Materialtabelle), wie in Abbildung 4Adargestellt.
    1. Bevor Sie mit dem Messvorgang beginnen, wählen Sie den Vergrößerungswert des Mikroskops aus und verwenden Sie zunächst den direkten Beobachtungsmodus, um die Scanposition des Polymerfilms anzupassen. Nach der Einstellung der Position mittels direkter Beobachtung den Polymerfilm fixieren und den Scanmodus in den Laser-Scanning-Modus ändern.
      HINWEIS: Bei Verwendung des konfokalen Mikroskops wird empfohlen, die Probe mit einer Acrylplatte zu fixieren, wie in Abbildung 4Bdargestellt.
    2. Messen Sie mit dem Laserscanmodus die Tiefe und Breite des Punktmusters.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 3.3.2–3.6.2, nachdem Sie die Art des Films geändert haben.
    HINWEIS: Unter Berücksichtigung der Glasübergangstemperatur jeder Filmart stellen Sie die Temperatur der Wärmeplatte ein, bevor Sie jede Folie auf die Wärmeplatte legen. In dieser Studie beträgt die Glasübergangstemperatur von PVC-Folien 100 °C; für PMMA-Folie ist es 95 °C und für PET-Film 75 °C.

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Representative Results

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Der Schlagdruck-Heißprägungsprozess ist ein Prozess, der verwendet werden kann, um Punktmuster in Echtzeit auf einen Polymerfilm zu gravieren, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieser Prozess kann die Probleme der hohen Kosten und der langen Zeiten für den Musteraustausch im Zusammenhang mit dem vorhandenen Hot Prägeprozess beheben. Wie in Abbildung 2 (siehe Schritte 2.3–2.3.9) dargestellt, wurde ein Steuerkreis aufgebaut, der die DAQ, OP-AMP und die Stromversorgung verwendet, um Muster auf verschiedenen Arten von Polymerfolien durch die Implementierung des Aufprallkopfs während des On-Off-Betriebs zu schnitzen. Der implementierte Effektdruck-Hotprägeprozess ist in Abbildung 3dargestellt.

In früheren Studien über die Wirkungsdruck-Heißprägung wurden nur Experimente an PMMA-Filmen validiert, während keine anderen Polymerfolien getestet wurden. Um zu überprüfen, ob Dies durch Druckdruck-Heißprägung Muster auf anderen Polymerfolien in Echtzeit gravieren kann, wurden Experimente mit PMMA-Folie, PVC-Folie und PET-Folie durchgeführt. Die Höhe des Aufprallkopfes wurde mit einer Z-Bühne um 10 m für alle drei Punkte reduziert, und wir haben getestet, ob neun Punkte ein Punktmuster mit unterschiedlichen Höhen auf den drei Filmtypen bilden können. Anhand der in Abbildung 3gezeigten Ausrüstung wurde auf den drei Polymerfolien ein Punktmuster erstellt und ein konfokales Mikroskop verwendet, um das Muster zu beobachten (siehe Schritt 3.6).

Das Punktmuster ist in Abbildung 4Bdargestellt. Wie in Abbildung 4Bdargestellt, wurden neun Punkte verwendet, und die Größe des Musters wurde von Probe 1 (S1) auf Probe 3 (S3) erhöht, da sich die Höhe der Z-Bühne um 10 m nach unten bewegte. In diesem Fall sind in Abbildung 5zweidimensionale (2D) Bilder des konfokalen Mikroskops der drei Polymerfilme dargestellt. Das 2D-Bild in Abbildung 5 zeigt den S1-Teil jedes Musters. Abbildung 5A zeigt eine PET-Filmprobe mit einer Dicke von 50 m, Abbildung 5B zeigt eine PMMA-Filmprobe mit einer Dicke von 175 m und Abbildung 5C eine 300 m dicke PVC-Filmprobe. Abbildung 6 zeigt 2D-Mikrographen eines Punktmusters und 3D-Mikrographen von S1 mit dem Laserscanning-Modus (LSM) des konfokalen Mikroskops. Wie in Abbildung 6dargestellt, konnten wir die Musterbreite und -tiefe jedes Punktmusters messen, und das Muster war durch das 2D-Bild eines Punktes deutlich zu beobachten.

Die Breiten- und Tiefenergebnisse der neun Punktmuster auf den drei Polymerfolien unter Verwendung der 3D-Funktion des Konfokalmikroskops sind in Tabelle 1dargestellt. Die PET-Folie ist dünner als die anderen Polymerfolien. Daher haben wir die Probe sorgfältig erstellt, so dass der Aufprallkopf die Wärmeplatte nicht berührte, wenn die Z-Bühne eingestellt wurde. Bei PET lagen die Durchschnittswerte der Musterbreite und -tiefe in S1 bei 110,6 bzw. 10,3 m, mit entsprechenden Fehlern von -5,6–6,2 % bzw. 3,3 –1,7 %. Bei S2 änderten sich die Durchschnittswerte für die Musterbreite und -tiefe nach der Verkleinerung der Z-Stufe um 10 m auf 155,2 m bzw. 17,0 m, mit entsprechenden Fehlern von --5,2–2,8 % bzw. -3,0 –2,0 %. Bei S3 änderten sich die Durchschnittswerte für die Musterbreite und -tiefe nach einer Verkleinerung der Z-Stufe um weitere 10 m auf 170,8 m bzw. 25,7 m, mit entsprechenden Fehlern von --2,8–4,2 % bzw. -2,7–2,3 %.

Bei PMMA lagen die Durchschnittswerte der Musterbreite und -tiefe in S1 bei 240,2 m bzw. 112,2 m, mit entsprechenden Fehlern von --1,2–1,3 % bzw. 4,1 –2,8 %. Bei S2 änderten sich die Durchschnittswerte für die Musterbreite und -tiefe nach der Verkleinerung der Z-Stufe um 10 m auf 250,0 m bzw. 129,8 m, wobei die entsprechenden Fehler von -2,0–2,0 % bzw. -1,8 –1,1 % betrugen. Bei S3 änderten sich die Durchschnittswerte für die Musterbreite und -tiefe nach einer Verkleinerung der Z-Stufe um weitere 10 m auf 281,2 m und 141,3 m, mit entsprechenden Fehlern von --3,1–3,8 % und -3,3 –2,6 %.

Bei PVC lagen die Durchschnittswerte der Musterbreite und -tiefe in S1 bei 236,4 m bzw. 136,1 m, mit entsprechenden Fehlern von --6,3–4,0 % bzw. -5,6–3,9 %. Bei S2 änderten sich die Durchschnittswerte der Musterbreite und -tiefe nach der Verkleinerung der Z-Stufe um 10 m auf 250,8 m bzw. 150,7 m, mit entsprechenden Fehlern von -2,5–2,4 % bzw. -2,1 –2,8 %. Bei S3 änderten sich die Durchschnittswerte der Musterbreite und -tiefe nach einer Verkleinerung der Z-Stufe um weitere 10 m auf 263,5 m und 159,2 m, mit entsprechenden Fehlern von --6,7–11,7 % und -5,0–7,5 %.

Abbildung 7zeigt Die Diagrammtiefe und -breite für die drei Polymerfolien zeigen. Die Höhe der Z-Bühne wurde für alle drei Punktmuster von S1 bis S3 um 10 m verringert, so dass die Breite und Tiefe des Films von S1 auf S3 anwuchs. Der maximale Fehler lag im Bereich von -6,7–11,7 % für PVC, und der minimale Fehler reichte von -1,2 bis 1,3 % für PMMA. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fehler in den Punktmustern für die drei Filmtypen gering sind. Dies zeigt, dass sich das Schlagdruck-Heißprägeverfahren für das Gravieren von Mikromustern auf Polymerfolien in Echtzeit eignet.

Figure 1
Abbildung 1: Design der Schlagdruck-Hot prägeing-Technologie. (A) Ein 3D-Design des Schlagdruck-Heißprägungsverfahrens, (B) Design des Filmhalters. Der Filmhalter kann sich in die Richtungen Motion 1 und Motion 2 bewegen und kann verwendet werden, um den Film zu fixieren oder zur Seite zu bewegen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Sendeplanung des Stromverstärkerkreises. In diesem Bild werden sechs Geräte verwendet, um die Schaltung zu erstellen: ein Netzteil mit zwei Kanälen, ein Hochleistungs-Operationsverstärker (OP-AMP), ein Steuergerät, ein Aufprallkopf und zwei Widerstandskomponenten mit unterschiedlichen Werten. Jedes Gerät ist im Bild verbunden, und die Verbindungslinien werden in verschiedenen Farben angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Implementierung des Schlagdruck-Hot prägeprozesses und des Steuerkreises. (A) Implementierung des Effektdruck-Hotprägeprozesses und (B) experimentelle Einstellungen des Steuerungssystems Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Konfokale Mikroskopausrüstung und PET-Folie mit Punktmustern. (A) Konfokale Mikroskopausrüstung zur Messung der Musterbreiten und -tiefen der Punktmuster auf dem Polymerfilm. (B) Punktmuster auf der PET-Folie. Die neun Muster sind in drei Abschnitte aus der untersten Tiefe der Punktmuster (S1, S2, S3) unterteilt, und jeder Abschnitt hat drei Punkte. Mikrographien werden mit der 2D-Funktion des konfokalen Mikroskops aufgenommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Zweidimensionale Photomikroskope mit konfokalen Mikroskopen. (A) Ein 2D-Photomikroskop des 50-mm-PET-Films, (B) 2D-Photomikroskop des 175 PMMA-Films und (C) 2D-Photomikroskop des 300-PVC-Films Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Zweidimensionale Mikrographien eines Punktmusters und 3D-Mikrographen von S1 mit dem LSM-Modus des konfokalen Mikroskops. (A) Eine 3D-Mikographie mit drei Punktmustern und eine 2D-Mikographie eines Punktmusters auf der 50-mm-dicken PET-Folie. (B) Eine 3D-Mikographie mit drei Punktmustern und eine 2D-Mikographie eines Punktmusters auf dem 175-mm-dicken PMMA-Film. (C) Eine 3D-Mikographie mit drei Punktmustern und eine 2D-Mikographie eines Punktmusters auf dem 300-mm-dicken PVC-Film Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Diagramme der Musterbreiten und -tiefen für S1, S2 und S3 auf drei Polymerfolien. Die Position der Z-Stufe wurde für alle drei Punktmuster von S1 bis S3 um 10 m erhöht, und jedes Diagramm basiert auf den in Tabelle 1 dargestellten Daten. (A) Das Ergebnis der Musterbreite und Dermustertiefe für die PET-Folie. (B) Das Ergebnis der Musterbreite und Dermustertiefe für den PMMA-Film. (C) Die Ergebnisse der Musterbreite und Dermustertiefe für die PVC-Folie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Polymerfolie Beispielnummer Durchschnitt der Musterbreite (m) Durchschnitt der Mustertiefe (m) Fehlerrate Breite (%) Fehlerrate Tiefe (%)
PVC-Folie S1 236.4 136.1 -6,3 bis 4,0% -5,6 bis 3,9%
S2 250.8 150.7 -2,5 % bis 2,4 % -2,1 bis 2,8 %
S3 263.5 159.2 -6,7 % bis 11,7 % -5,0 bis 7,5 %
PMMA Film S1 240.2 112.2 -1,2 bis 1,3% -4,1 bis 2,8 %
S2 250 129.8 -2,0 bis 2,0% -1,8 bis 1,1 %
S3 281.2 141.3 -3,1 bis 3,8 % -3,3 bis 2,6%
PET-Folie S1 110.6 10.3 -5,6 bis 6,2% -3,3 bis 1,7%
S2 155.2 17 -5,2 bis 2,8% -3,0 bis 2,0%
S3 170.8 25.7 -2,8 bis 4,2% -2,7 bis 2,3%

Tabelle 1: Messergebnisse von neun Punktmustern auf drei Polymerfolien. Die Werte in der Tabelle wurden mit der 3D-Messfunktion des konfokalen Mikroskops gemessen und stellen die Durchschnittswerte der Musterbreiten und -tiefen sowie die Musterfehler für S1, S2 und S3 dar.

Ergänzende Datei 1. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

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In dieser Studie haben wir den Schlagdruck-Heißprägungsprozess und gravierte Punktmuster mit verschiedenen Breiten und Tiefen in Echtzeit auf eine Reihe von Polymerfolien implementiert. Unter den Protokollschritten sollten zwei Schritte in allen Schritten kritisch betrachtet werden. Die erste ist die Einstellung der Temperatur der Wärmeplatte (Schritt 3.3.3), und die zweite ist die Einstellung der Anfangsposition des Aufprallkopfes (Schritt 3.5.1). In Schritt 3.3.3, wenn die Temperatur der Wärmeplatte zu hoch ist, wird es schwierig, ein Muster zu bilden, weil die Viskosität des Films die Bildung eines feinen Musters behindert. Ist die Temperatur der Wärmeplatte dagegen zu niedrig, wird das Muster nicht glatt eingraviert. Der Faktor der Anfangsposition des Aufprallkopfs ist wichtig, da die Position des Aufprallkopfs mit der Tiefe und Breite des Musters verknüpft ist. Wenn die Höhe des Aufprallkopfes zu niedrig ist, kollidiert der Mover des Aufprallkopfes mit der Wärmeplatte, wodurch sowohl der Mover als auch die Wärmeplatte beschädigt werden. Dieser Schaden verschleißt nicht nur die Spitze des Movers, sondern wirkt sich auch negativ auf die Höhe und Breite des im nächsten Schritt eingravierten Musters aus. Aus diesen Gründen sollten in den Schritten 3.3.3 und 3.5.1 die Heiztemperatur und der Zündzustand sorgfältig berücksichtigt werden.

In früheren Arbeiten zur Schlagart-Heißprägung wurde ein Punktmusterverfahren mit PMMA-Folie verwendet, wobei Abweichungsfehler aufgrund eines Fixierungsproblems im Zusammenhang mit dem Polymerfilm15,16auftreten. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Fixierung der Polymerfolie mit Filmhaltern auf beiden Seiten der Wärmeplatte in Betracht gezogen, und diese Strategie reduzierte den Fehler im Vergleich zu den früheren Werten. Es wurde auch gezeigt, dass Punktmuster mit unterschiedlichen Breiten und Tiefen in Echtzeit auf verschiedene Polymerfolien wie PET-Folien und PVC-Folien eingraviert werden können. Vergleicht man die Fehlerquote von PMMA mit der der vorherigen Heißprägungsprozesse, so zeigten die Ergebnisse jeder Filmprobe, dass die Fehler in den Musterbreiten und -tiefen deutlich reduziert wurden.

Es blieben jedoch einige Fehler in den Punktmustern. Wir haben zwei Ursachen für diese Fehler in Betracht gezogen. Die erste bezieht sich auf die Veränderung der Oberfläche aufgrund der Glasübergangstemperatur der Polymerfolie. Wenn jeder Film über seine Glasübergangstemperatur erhitzt wird, wird die Oberfläche des Polymerfilms weich, und die Filmoberfläche steigt leicht an, auch wenn sie während der Verwendung des Filmhalters fixiert bleibt, was einen Fehler verursacht. Um dies zu verhindern, wenn die Temperatur der Wärmeplatte niedriger als die Glasübertragungstemperatur ist, ist die Kombination der molekularen Struktur des Polymerfilms stärker, aber das Muster auf dem Polymerfilm ist nicht auch eingraviert. Daher ist es umständlich, durch wiederholte Experimente den optimalen Wert für jeden entsprechenden Polymerfilm zu finden. Die zweite Ursache ist das Ungleichgewichtsproblem der Wärmeplatte. Die Oberfläche der Wärmeplatte, die den Film während des Heißprägevorgangs erhitzt, sollte vollständig horizontal sein, um die Höhe der Punktmuster gleichmäßig zu gravieren. Wenn die Wärmeplatte jedoch leicht geneigt ist, treten Fehler in der Musterbreite oder Musterhöhe auf, wenn das Muster eine andere Position verwendet. Um dieses Problem zu lösen, sollten wir davon ausgehen, dass ein Gerät, das die Höhe einer Oberfläche in Echtzeit scannen kann, an den Aufprallheader angefügt werden sollte. Es sollten weitere Untersuchungen an Scangeräten durchgeführt werden, um die Oberflächenhöhe richtig zu messen.

Die Genauigkeit der Muster, die durch den vorgeschlagenen Prozess erzeugt werden, hat auch Einschränkungen. Die Breite und Tiefe jedes Musters hängen vom Durchmesser der Spitze des Movers (Schlagkopf) und der Tiefe ab, in der der Mover auf den Polymerfilm graviert. Der Durchmesser der Spitze des in diesem Prozess verwendeten Movers beträgt 9 m, und die Genauigkeit des gravierten Musters hat eine minimale Musterbreite von 9 m. Die vorhandenen Platten-platte-Typ- und Roll-to-Roll-Heißprägungsprozesse bieten jedoch Mustergenauigkeitsstufen im nm-Bereich. Dieser Mangel an Präzision eines Musters kann gelöst werden, indem der Durchmesser der Spitze des Movers im Aufprallkopf reduziert wird. Bisher gibt es keine ausreichende Forschung über mechanische oder chemische Prozesse zur Verarbeitung von Mover-Spitzen in nm-Einheiten. Wenn Studien über mechanische oder chemische Prozesse durchgeführt werden, damit die Mover-Spitze in nm-Einheiten verarbeitet werden kann, wird erwartet, dass diese Einschränkungen überwunden werden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren jedoch Änderungen am Gravurmuster in Echtzeit mithilfe des Aufprallkopfs, was den Vorteil bietet, das neue Muster zu ändern oder das Muster zu ersetzen, wenn ein fehlerhafter Prozess gefunden wird.

Als Nächstes verglichen wir die Verarbeitungsgeschwindigkeit des vorgeschlagenen Prozesses mit der des vorhandenen Roll-to-Roll-Hot prägeprozesses. Für den herkömmlichen Roll-to-Roll-Typ beträgt die Prozessgeschwindigkeit 10 mm/s12. Der vorgeschlagene Schlagdruck-Heißprägungsprozess bietet eine Leistungsfrequenz von 6 Hz–10 Hz. Wenn auf einem 10 mm Polymerfilm zehn Punkte angenommen werden, beträgt die Verarbeitungsgeschwindigkeit 6 mm/sec und das Maximum 10 mm/s. Daher variiert die Verarbeitungsgeschwindigkeit je nach dem vom Benutzer geforderten Muster. Daher kann der Prozess auch auf die Massenproduktion und auf verschiedene Produkt- und Kleinserienprozesse angewendet werden.

Wenn wir unsere aktuelle Technologie weiterentwickeln, wird sie in der Lage sein, neben Punktmustern auch kontinuierliche Muster zu gravieren. Das Gravieren kontinuierlicher Muster kann auf verschiedene Weise nützlich sein. Beispielsweise kann durch das Aufbringen elektrischer Elemente oder durch das Aufbringen leitfähiger Tinte auf das gravierte Muster ein mikroelektrischer Schaltkreis hergestellt werden. Da dieses Verfahren mit der Gravur von Mikro- oder Nanomustern auf Polymerfolien verbunden ist, kann es insbesondere zur Herstellung flexibler Geräte eingesetzt werden. Da unsere Methode wie bestehende Heißprägungsprozesse gleicht, kann diese Arbeit zur Herstellung von flexiblen Kupferverbundlaminaten (FCCLs) oder flexiblen Leiterplatten (FPCBs) verwendet werden. Um den Schlagdruck-Heißprägungsprozess auf eine breitere Palette von Materialien wie tragbare n. Chr. oder Sensoren anzuwenden, ist es außerdem notwendig, das Punktmuster durch Verwendung unterschiedlicher Breiten und Tiefen je nach Gerät zu ändern. Der hier untersuchte Schlagdruck-Heißprägungsprozess hat den Vorteil, dass er verschiedene Muster gravieren und gleichzeitig die Breiten und Tiefen der Muster in Echtzeit anpassen kann. Darüber hinaus verwendet die im Protokoll erwähnte Technologie einen einfacheren Prozess als der herkömmliche Musterprozess. Daher sind wir davon überzeugt, dass die Wirkungsdruck-Heißprägetechnologie künftig nicht nur auf die Massenproduktion, sondern auch auf die Kleinserienfertigung ausgeweitet werden kann.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten

Acknowledgments

Diese Forschung wird durch das Projekt "Development of impact print-type hot embossing technology for a conductive layer using conductive nano-composite materials" durch das Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE) Koreas (N046100024, 2016) unterstützt.

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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Untersuchung eines Punktmusterprozesses auf flexiblen Materialien mit Impact Print-Type Hot Embossing Technology
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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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