Name: hybrid printing for the fabrication of smart sensors
Uploaded: 2019-01-31T13:00:00
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Quest'opera è stata sostenuta dalla cometa K1 ASSIC austriaco Smart Systems Integration Research Center. La cometa-Competence Center per eccellenti tecnologie-programma è supportato da BMVIT, BMWFW e i Länder Carinzia e Stiria.

Attenzione: Prima di utilizzare il considerato inchiostri e adesivi, si prega di consultare il relativo materiale sicurezza (MSDS). L'inchiostro di nanoparticella autonomo e adesivi possono essere tossici o cancerogeni, dipende il filler. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue la stampa a getto d'inchiostro o la preparazione dei campioni e assicuratevi di indossare appropriati dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe...

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Un modo per fabbricare strutture multistrato sensore su substrati di stampa 3D e sulla lamina è dimostrato. AM metallo, così come substrati di ceramica e acrilato tipo e lamina sono mostrati per essere adatto per stampa inkjet multistrato, come l'adesione fra il substrato e i diversi strati è sufficiente, come pure la rispettiva capacità di conduttività o isolamento. Questo potrebbe essere indicato da stampa strati di strutture conduttrici il materiale isolante. Inoltre, la stampa e i processi per tutti i livelli di...

Produzione additiva (AM) è standardizzato come un processo dove materiali si uniscono per rendere gli oggetti dai dati del modello 3D. Questo è solitamente fatto strato su strato e, quindi, contrasta con le tecnologie di produzione sottrattiva, quali la fabbricazione a semiconduttore. Fabbricazione di stampa 3D, additivo, processo additivo, tecniche di additivi, additivo strato produzione, fabbricazione di strato e freeform fabrication sono sinonimi. Questi sinonimi sono riprodotte dalla standardizzazione dalla American Society of Testing and Materials (ASTM)1 per fornire una definizione unica. Nella letteratura, la stampa 3D si riferisce come il processo dove lo spessore degli oggetti stampati è nella gamma di centimetri a anche metri2.
Processi più comuni, quali stereolitografia3, attivare la stampa di polimeri, ma la stampa 3D del metallo inoltre è già disponibile in commercio. I AM dei metalli è impiegato in molteplici settori, come per il settore automobilistico, aerospaziale4e medico5 settori. Un vantaggio per strutture aerospaziali è la possibilità di stampare più leggeri dispositivi attraverso semplici modifiche strutturali (ad esempio, utilizzando un design a nido d'ape). Di conseguenza, materiali con, per esempio, una maggiore resistenza meccanica, che altrimenti sarebbe aggiungere una quantità significativa di peso (ad es., titanio anziché alluminio)6, possono essere impiegati.
Mentre la stampa 3D di polimeri è già affermata, metallo stampa 3D è ancora un argomento di ricerca vibrante e una varietà di processi sono stati sviluppati per la stampa 3D di strutture metalliche. Fondamentalmente, i metodi disponibili possono essere combinati in quattro gruppi7,8, vale a dire 1) usando un laser o fascio di elettroni per rivestimento in un processo di filo-alimentato, utilizzando un laser o fascio di elettroni, 3) selettivamente fusione polvere utilizzando 2) sinterizzazione di sistemi un fascio laser o elettrone (fusione della polvere letto) e 4) un raccoglitore jetting processo dove, comunemente, una testina di stampa a getto d'inchiostro si sposta sopra un substrato di polvere ed eroga agente legante.
A seconda del processo, i rispettivi campioni fabbricati esporrà diverse proprietà strutturali e superficiali7. Queste varie proprietà dovrà essere considerato in ulteriori sforzi per funzionalizzare ulteriormente le parti stampate (ad es., fabbricando sensori sulle loro superfici).
In contrasto con stampa 3D, la stampa i processi per raggiungere una tale funzionalizzazione (ad es., schermo e la stampa a getto d'inchiostro) copertura solo limitato altezze oggetto da meno di 100 nm9 fino a pochi micrometri e sono, quindi, spesso indicato anche come 2.5 D-stampa. in alternativa, soluzioni basate su laser per patterning ad alta risoluzione sono stati anche proposti10,11. Una rassegna completa dei processi di stampa, termicamente dipendente di temperatura di nanoparticelle di fusione, e le applicazioni è dato dal Ko12.
Anche se la stampa dello schermo è ben definito nella letteratura13,14, stampa inkjet fornisce una migliorata capacità di upscaling, insieme ad una maggiore risoluzione per la stampa di dimensioni più piccole di funzionalità. Oltre a questo, è un metodo di stampa digitale, senza contatto, consentendo la deposizione flessibile di materiali funzionali su tridimensionale. Di conseguenza, il nostro lavoro è focalizzato sulla stampa a getto d'inchiostro.
Tecnologia di stampa a getto d'inchiostro è già stata impiegata nella fabbricazione di elettrodi di rilevazione di metallo (argento, oro, platino, ecc.). Campi di applicazione includono temperatura misura15,16, pressione e ceppo rilevamento17,18,19e biosensori20,21, così come gas o vapore analisi22,23,24. L'indurimento di tali strutture stampate con estensione altezza limitata può essere fatto utilizzando varie tecniche, basate su termica25, forno a microonde26, elettrici27, laser28e fotonici29 principi.
Polimerizzazione fotonici per strutture stampate a getto d'inchiostro permette ai ricercatori di utilizzare inchiostri ad alta energia, curabili, conduttivi su substrati con una resistenza di bassa temperatura. Sfruttando questa circostanza, la combinazione di 2.5 D e 3D prestampa può essere impiegato per fabbricare prototipi altamente flessibile nella zona di imballaggio intelligente30,31,32 e rilevamento intelligente.
La conducibilità di substrati metallici 3D-stampato è di interesse per il settore aerospaziale, come pure per il settore medicale. Esso non solo migliora la stabilità meccanica di alcune parti ma è utile nel campo vicino, così come di rilevamento capacitivo. Un alloggiamento del metallo 3D-stampato fornisce ulteriore schermatura/guardia del sensore front-end poiché può essere collegato elettricamente.
L'obiettivo è quello di fabbricare dispositivi utilizzando la tecnologia di AM. Questi dispositivi dovrebbero fornire una risoluzione sufficientemente elevata nella misurazione che vengono impiegate per (spesso alle micro - o su scala nanometrica) e, allo stesso tempo, essi deve soddisfare elevati standard per quanto riguarda affidabilità e qualità.
È stato dimostrato che la tecnologia AM presenta all'utente con sufficiente flessibilità per fabbricare progetti ottimizzati33,34 , che migliorano la qualità complessiva di misura che possa essere raggiunti. Inoltre, la combinazione di polimeri e stampa inkjet single layer è stata presentata nella precedente ricerca35,36,37,38.
In questo lavoro, gli studi disponibili sono estese, e una revisione sulle proprietà fisiche dei substrati di AM, con un focus sui metalli e la loro compatibilità con stampa inkjet multistrato e fotonici di polimerizzazione è fornita. Un disegno di esemplare bobina multistrato è fornito in complementare figura 1. I risultati sono utilizzati per fornire strategie per la stampa a getto d'inchiostro di strutture multistrato sensore su substrati di metallo AM.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>PiXDRO LP 50</td>
			<td>Meyer Burger AG</td>
			<td></td>
			<td>Inkjet-Printer with dual-head assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SM-128 Spectra S-class</td>
			<td>Fujifilm Dimatix</td>
			<td></td>
			<td>Printheads with nozzle diameter of 50 &#181;m, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMC-11610/DMC-11601</td>
			<td>Fujifilm Dimatix</td>
			<td></td>
			<td>Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 &#181;m, 1 or 10 pL calibrated dropsize</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sycris I50DM-119</td>
			<td>PV Nanocell</td>
			<td></td>
			<td>Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solsys EMD6200</td>
			<td>SunChemical</td>
			<td></td>
			<td>Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7002-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7003C-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7003-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7004-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulseforge 1200</td>
			<td>Novacentrix</td>
			<td></td>
			<td>Photonic curing/sintering equipment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DektatkXT</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 &#181;m diameter and constant force of 4 mg.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C4S</td>
			<td>Cascade Microtech</td>
			<td></td>
			<td>Four-point-probe measurement head.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2000</td>
			<td>Keithley</td>
			<td></td>
			<td>Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helios NanoLab600i</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SeeSystem</td>
			<td>Advex Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Water contact angle measurement device.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Projet 3500 HDMax</td>
			<td>3D Systems</td>
			<td></td>
			<td>Professional high-resolution polymer 3D-printer. See also (accessed Sep. 2018): https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polytec PU 1000</td>
			<td>Polytec PT</td>
			<td></td>
			<td>Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microdispenser</td>
			<td>Musashi</td>
			<td></td>
			<td>Needle for microdispensing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-assembly station</td>
			<td>Finetech</td>
			<td></td>
			<td>Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hybrid printing for the fabrication of smart sensors

Un metodo per combinare additivo prodotti substrati o pellicole e stampa inkjet multistrato per la fabbricazione di dispositivi a sensore è presentato. Primo, tre substrati (acrilato, ceramiche e rame) sono preparati. Per determinare le proprietà del materiale risultante di questi substrati, profilometro, angolo di contatto, microscopio elettronico a scansione (SEM) e ionico focalizzato (FIB) fascio misurazioni sono fatte. La risoluzione di stampa realizzabile e volume della goccia adatto per ogni substrato sono, poi, trovati attraverso i test di dimensione goccia. Quindi, strati di inchiostro conduttivo e isolante sono a getto d'inchiostro stampato alternativamente per fabbricare le strutture di sensore di destinazione. Dopo ogni passaggio di stampa, i rispettivi livelli vengono trattati singolarmente di polimerizzazione fotonici. I parametri utilizzati per la stagionatura di ogni strato sono adattati a seconda dell'inchiostro stampato, nonché le proprietà di superficie del substrato rispettivo. Per confermare la conducibilità risultante e per determinare la qualità della superficie stampata, quattro punti sonda e profilometro misurazioni avvengono. Infine, un set-up di misura e risultati ottenuti da un sistema di sensore di tutti-stampato sono riportati per dimostrare la qualità ottenibile.

Dalle immagini SEM illustrate nella Figura 1, si possono trarre conclusioni sulla stampabilità sui rispettivi substrati. Le barre di scala sono diverse a causa delle gamme differenti della rugosità superficiale. In Figura 1a, la superficie del substrato di rame è indicata, che è di gran lunga il più regolare. Figura 1 c, d'altra parte, spettacoli in acciaio, un substrato che non è utilizzabile ...

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Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Ibrido di stampa per la fabbricazione di sensori intelligenti

Qui presentiamo un protocollo per la realizzazione di strutture a getto d'inchiostro-stampato multistrato sensore su substrati additivo fabbricati e lamina.

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Ci concentriamo sulla combinazione di substrati stampati in 3D e stampa a getto d'inchiostro che è soggetta a vivide ricerche. Crediamo che la loro combinazione possa consentire un concetto di sistema di censura completo e normale nelle linee di produzione automatizzate nella robotica collaborativa. Quindi il principale vantaggio di questa tecnica è il suo uso.Mentre assicura ancora un'alta qualità delle misurazioni ottenute. Che sono riuniti con i prototipi del sistema di teleadozione. Quando si combinano la stampa 3D e a getto d'inchiostro per la funzionalizzazione.È importante considerare le proprietà del substrato e le proprietà dell'inchiostro per i singoli strati. Inoltre, la dose di polimerizzazione dipende da una combinazione di entrambi. Fabbrica il substrato ceramico con la tecnologia di produzione ceramica basata sulla litografia.Per fabbricare interconnessioni su substrati non conduttivi, erogare l'adesivo conduttivo a bassa temperatura e curabile, con un micro-dispenser a pressione del tempo montato su una stazione di micro-assemblaggio nelle vie appropriate delle parti stampate. Lasciare asciugare le interconnessioni fabbricate per dieci minuti a ventitré gradi Celsius e con pressione ambiente. Dopo la preparazione del sistema di stampa a getto d'inchiostro e l'ispezione delle proprietà superficiali per la capacità di stampa come descritto nel protocollo di testo.Fissare il substrato sul tavolo del substrato utilizzando nastro adesivo e contrassegnarne la posizione in modo appropriato. Regolare l'ugello e i parametri di stampa nelle impostazioni dell'interfaccia software modificando le proprietà della testina di stampa nell'interfaccia software delle stampanti. Spostare la testina di stampa nella posizione della vista di rilascio utilizzando l'opzione vai alla posizione della vista di rilascio nell'interfaccia software delle stampanti e osservare il getto dell'inchiostro.Se necessario, regolare i parametri di stampa per ottimizzare il getto. Scegli l'ugello che espelle gocce di inchiostro ben definite e omogenee per la stampa. Immettere il numero dell'ugello scelto nelle preferenze delle stampanti.Eseguire i test delle dimensioni delle taglie di rilascio per determinare la dimensione di una goccia stampata sul substrato per eseguire questa operazioni, stampando un motivo a goccia utilizzando una configurazione nota della stampante. Determinare la dimensione di caduta raggiunta, utilizzando un microscopio calibrato o il sistema di telecamere integrato della stampante. Assicurarsi che la risoluzione di stampa successivamente utilizzata sia appropriata per l'inchiostro osservato che bagna per fabbricare una superficie omogenea e chiusa.Stampa più strutture con uno strato di inchiostro utilizzato per il primo strato di dispositivo su un substrato fittizio. Utilizzare il processo di polimerizzazione fotonica per l'inchiostro isolante sul substrato metallico. Aprire il vassoio dell'apparecchiatura di polimerizzazione fotonica contenente la tabella del substrato.Spostare il campione nella tabella del substrato dell'apparecchiatura di polimerizzazione fotonica e fissarlo di conseguenza. Regolare l'altezza della tabella del substrato dell'apparecchiatura utilizzando il mandrino del tavolo per spostare il campione sul piano di messa a fuoco dell'apparecchiatura di polimerizzazione. Chiudere il vassoio, regolare il profilo di polimerizzazione come raccomandato dal fornitore per il materiale stampato e l'interfaccia software dell'apparecchiatura e premere il pulsante di avvio.Regolare l'ugello e i parametri di stampa come descritto nel protocollo di testo, quindi eseguire la stampa. Ripetere la stampa di uno strato di inchiostro fino a quando l'omogeneità della stampa non è soddisfacente. Controllare l'omogeneità dello strato stampato, utilizzando un microscopio calibrato.Oppure utilizzando il sistema di telecamere integrato della stampante. Spostare la fotocamera della stampante nella posizione di stampa e osservare la qualità della stampa fornita nell'interfaccia software della stampante. Per l'inchiostro d'argento su un substrato ceramico, utilizzare la polimerizzazione termica in un forno.Come raccomandato con l'inchiostro. Per curare l'inchiostro dye-electric stampato utilizzare l'apparecchiatura di polimerizzazione fotonica con tensione bancaria di 200 volt e con impulsi di un millisecondo, e ripetere gli impulsi otto volte ad una frequenza di un hertz. Eseguire misurazioni del profilometro per determinare la rugosità e lo spessore dello strato stampato.Mettere il campione sulla tabella del substrato del profilometro. Se non affinato, affinare la testa di misura utilizzando il rispettivo pulsante nel software. Scegliere la risoluzione e l'area, che devono essere mappate.Posizionare la testa di misura nella posizione iniziale e iniziare la misurazione. Al termine della misurazione, verificare la coerenza del risultato e salvare i dati. Dopo la regolazione della stampante e i parametri di polimerizzazione, per i livelli successivi come descritto nel protocollo di testo.Fissare il sustrato sul tavolo del substrato nella posizione precedentemente contrassegnata. Regolare l'ugello e i parametri di stampa come prima. Selezionare il punto di riferimento appropriato per stampare il motivo e assicurarsi che i motivi stampati siano ben allineati tra loro per garantire la corretta funzionalità del dispositivo in seguito.Caricare il rispettivo file SVG con la risoluzione e le dimensioni appropriate. Eseguire la stampa. Ripetere la peintina di uno strato di inchiostro fino a quando l'omogeneità della stampa non è soddisfacente.Controllare l'omogeneità dello strato stampato al microscopio. Qui viene utilizzato il sistema di telecamere integrato della stampante. Utilizzare la polimerizzazione fotonica solo per la polimerizzazione di questo strato.Utilizzare i parametri determinati in precedenza, per uno strato isolante o uno strato conduttivo sull'isolante. Dopo la polimerizzazione, controllare le proprietà elettriche e strutturali dello strato stampato. Per determinare se l'intervallo di conducibilità del livello conduttivo è accettabile, utilizzare un multimitore.Per determinare la qualità superficiale dei substrati stampati in 3D. L'analisi della microscopia elettronica a scansione viene eseguita. Viene mostrata la superficie del substrato di rame, che è di gran lunga la più liscia.Al contrario, l'acciaio come substrato che non è utilizzabile per la stampa a getto d'inchiostro, a causa dell'elevata porosità e dell'angolo di contatto instabile. Inoltre, sono mostrate le immagini SEM del substrato di bronzo e della superficie del campione di titanio. I tratti conduttivi sul substrato ceramico a base di alluminio hanno una buona omogeneità superficiale.Come visualizzato qui come la scorrevolezza delle curve blu. Inoltre, le superfici che ne smarrino l'integrità strutturale possono essere identificate dai grandi gradienti nei loro profili di altezza. Questi risultati di misurazione vengono raccolti utilizzando un dimostratore, che impiega un principio di rilevamento capacitivo.Qui, la scorrevolezza delle curve illustra l'elevata qualità raggiungibile nonostante le carenze strutturali che potrebbero derivare dai processi di stampa. I passaggi più cruciali sono garantire una sufficiente omogeneità e controllare le proprietà superficiali delle strutture stampate. Queste metriche sono fattori abilitanti cruciali per i passaggi successivi.La combinazione di substrati stampati in 3D e stampa a getto d'inchiostro come mezzo per la funzionalizzazione è di grande importanza avvia lo sviluppo di futuri dispositivi robotici e la produzione automatizzata. Queste tecniche consentono di utilizzare la fabbricazione di sistemi di sensori adattabili per il retrofitting e in sistemi conformabili. Che sono considerati il futuro della robotica collaborativa.

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