Name: hybrid printing for the fabrication of smart sensors
Uploaded: 2019-01-31T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors at JoVE.com

Este trabajo ha sido apoyado por el cometa K1 ASSIC austríaco inteligentes sistemas de integración centro de investigación. Los centros de competencia cometa para excelente-programa de tecnologías es apoyado por BMVIT, BMWFW y las provincias federales de Carintia y Estiria.

PRECAUCIÓN: Antes de usar el considerado tintas y adhesivos, consulte el correspondiente Material seguridad datos hojas (MSDS). La tinta de nanopartículas empleadas y adhesivos pueden ser tóxicos o carcinogénicos, dependiente de la llenadora. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza la impresión de inyección de tinta o la preparación de muestras y asegúrese de usar equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).
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Se demuestra una manera de fabricar estructuras de sensor multicapa en 3D impreso sustratos y en papel. AM metal, así como cerámica y acrilato sustratos tipo y papel se demuestran para ser conveniente para la impresión de múltiples capas de inyección de tinta, como la adherencia entre el sustrato y las diferentes capas es suficiente, así como la capacidad de conductividad o aislamiento respectiva. Esto podría ser demostrado por capas impresión de estructuras conductoras en material aislante. Además, la impresió...

Fabricación aditiva (AM) está estandarizado como un proceso donde los materiales se unen para hacer objetos de datos del modelo 3D. Esto se realiza capa sobre capa y, por lo tanto, contrasta con tecnologías de fabricación sustractivos, tales como la fabricación de semiconductores. Sinónimos incluyen fabricación 3D-impresión, aditivo, proceso aditivo, técnicas aditivas, fabricación de aditivo capa, capa fabricación y fabricación freeform. Estos sinónimos son reproducidas de la estandardización por la sociedad americana de pruebas y materiales (ASTM)1 para proporcionar una definición única. En la literatura, impresión en 3D se conoce como el proceso donde el grueso de los objetos impresos está en el rango de centímetros a incluso metros2.
Procesos más comunes, como la estereolitografía3, permiten la impresión de los polímeros, pero la impresión 3D de metal también está ya disponible en el mercado. La AM de metales se emplea en múltiples áreas, como para la automotriz, aeroespacial4y sectores médicos5 . Una ventaja para estructuras aeroespaciales es la posibilidad de imprimir más dispositivos a través de simples cambios estructurales (e.g., usando un diseño de nido de abeja). En consecuencia, los materiales con, por ejemplo, mayor resistencia mecánica, que de lo contrario agregar una cantidad significativa de peso (por ejemplo, titanio en lugar de aluminio)6, puede ser empleado.
Mientras que la impresión 3D de polímeros ya está bien establecida, metal 3D-impresión sigue siendo un tema de investigación vibrante, y una variedad de procesos han sido desarrollados para la impresión en 3D de estructuras metálicas. Básicamente, los métodos disponibles se pueden combinar en cuatro grupos7,8, es decir 1) usando un láser o haz de electrones para el revestimiento en un proceso de alimentación de alambre, sistemas 2) sinterización utilizando un láser o haz de electrones, 3) selectivamente usando polvo de fusión un rayo láser o electrón (fusión de cama de polvo) y 4) una carpeta chorro proceso donde, comúnmente, una cabeza de impresión de inyección de tinta se mueve sobre un sustrato de polvo y dispensa aglutinante.
Dependiendo del proceso, las respectivas muestras fabricadas exhiben diferentes propiedades superficiales y estructurales7. Estas diferentes propiedades tendrá que ser considerado en más esfuerzos para seguir funcionalizar las piezas impresas (por ejemplo, por la fabricación de sensores en sus superficies).
En contraste con la impresión en 3D, los procesos de la impresión para lograr tal funcionalización (e.g., pantalla e impresión de inyección de tinta) cubierta solamente limitado alturas objeto de menos de 100 nm9 hasta unos pocos micrómetros y son, por lo tanto, a menudo también conocido como 2.5D-impresión. alternativamente, soluciones basadas en láser para modelar alta resolución también han sido propuestos10,11. Una revisión exhaustiva de los procesos de impresión, la térmica dependiente derretir temperatura de nanopartículas, y las aplicaciones está dada por Ko12.
Aunque la impresión de la pantalla está bien establecida en la literatura13,14, impresión de inyección de tinta ofrece una capacidad de ampliación mejorada, junto con una mayor resolución para la impresión de tamaños más pequeños de la característica. Además, es un método de impresión digital, sin contacto que permite el depósito flexible de materiales funcionales en tres dimensiones. Por lo tanto, nuestro trabajo se centra en la impresión de inyección de tinta.
Tecnología de impresión de inyección de tinta ya se ha empleado en la fabricación de electrodos de detección de metales (plata, oro, platino, etc.). Áreas de aplicación incluyen temperatura medida15,16, presión y tensión detección de17,18,19y biodetección20,21, así como gases o vapores Análisis22,23,24. El curado de estas estructuras impresas con extensión de altura limitada puede ser realizado mediante diferentes técnicas, basadas en térmica25, microondas26, eléctrica27, láser28y fotónica29 principios.
Fotónicas de curado para estructuras de inyección de tinta impresa permite a los investigadores utilizar tintas de alta energía, curables, conductoras en substratos con una resistencia a baja temperatura. Aprovechando esta circunstancia, la combinación de 2.5 procesos D-3D-impresión y pueden ser empleados para fabricar prototipos altamente flexibles en el área de detección inteligente y envases inteligentes30,31,32 .
La conductividad de substratos de metal impreso en 3D es de interés para el sector aeroespacial, así como para el sector médico. No sólo mejora la estabilidad mecánica de ciertas partes pero es beneficiosa en campo cercano, así como la detección capacitiva. Una caja de metal impreso en 3D proporciona adicionales de protección/protección del sensor front-end ya que puede ser conectado eléctricamente.
El objetivo es fabricar dispositivos utilizando la tecnología de AM. Estos dispositivos deben proporcionar una resolución lo suficientemente alta en la medida que se emplean para (a menudo a microempresas o a nanoescala) y, al mismo tiempo, cumplen altos estándares en cuanto a fiabilidad y calidad.
Se ha demostrado que la tecnología AM presenta al usuario con la suficiente flexibilidad para fabricar diseños optimizados33,34 que mejoran la calidad general de medición que se puede lograr. Además, la combinación de polímeros y una capa de inyección de tinta impresión se ha presentado en la anterior investigación35,36,37,38.
En este trabajo, los estudios disponibles se extienden, y se proporciona una revisión sobre las propiedades físicas de sustratos de AM, con un enfoque en los metales y su compatibilidad con múltiples capas de tinta impresión y el curado de fotónica. Un diseño de bobina multicapa ejemplar se proporciona en la figura 1 complementaria. Los resultados se utilizan para proporcionar estrategias para la impresión de inyección de tinta de estructuras multicapa sensor en sustratos metálicos de 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 método para combinar aditiva fabrica sustratos u hojas y se presenta múltiples capas de tinta impresión para la fabricación de dispositivos. Primero, se preparan tres sustratos (acrilato, cerámica y cobre). Para determinar las propiedades del material resultantes de estos sustratos, perfilómetro, ángulo de contacto, microscopio electrónico de barrido (SEM) y enfocado de iones (FIB) de la viga medidas se realizan. La posible resolución de impresión y volumen de gota adecuado para cada sustrato, entonces, se encuentran a través de las pruebas de tamaño de gota. Entonces, capas de aislante y conductor la tinta son tinta imprimido alternativamente para fabricar las estructuras de sensor objetivo. Después de cada paso de impresión, las respectivas capas son tratadas individualmente por curado fotónico. Los parámetros utilizados para el curado de cada capa se adaptan dependiendo de la tinta impresa, así como en las propiedades superficiales de los sustratos respectivos. Para confirmar la conductividad resultante y determinar la calidad de la superficie impresa, se realizan mediciones de Perfilómetro y sonda de cuatro puntos. Finalmente, se muestran una configuración de medición y resultados obtenidos por un sistema de sensor impreso todo para demostrar la calidad alcanzable.

De las imágenes de SEM que se muestra en la figura 1, se pueden extraer conclusiones sobre la capacidad de impresión en los sustratos respectivos. Las barras de escala son diferentes debido a las diferentes gamas de la rugosidad de la superficie. En la Figura 1a, se muestra la superficie del substrato de cobre, que es mucho más suave. Figura 1 c, por el contrario, muestra de acero, un sustrato que...

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Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Híbrido de la impresión para la fabricación de sensores inteligentes

Aquí presentamos un protocolo para la fabricación de estructuras de sensor multicapa de inyección de tinta imprimen en sustratos aditiva fabricados y de la hoja.

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

Nos centramos en la combinación de sustratos impresos en 3D e impresión por inyección de tinta que está sujeta a una investigación vívida. Creemos que su combinación puede permitir un concepto de sistema de censura completo y normal en líneas de producción automatizadas en robótica colaborativa. Así que la principal ventaja de esta técnica es su uso.Si bien todavía asegura una alta calidad de las mediciones obtenidas. Que se reúnen con los prototipos del sistema de tele adopción. Al combinar impresión 3D e inyección de tinta para la funcionalización.Es importante tener en cuenta las propiedades del sustrato, así como las propiedades de tinta para capas individuales. Además, la dosis de curado depende de una combinación de ambos. Fabricar el sustrato cerámico mediante la tecnología de fabricación cerámica basada en litografía.Para fabricar interconexiones en sustratos no conductores, dispensar el adhesivo conductor curable a baja temperatura, con un micro-dispensador de presión de tiempo montado en una estación de microensa en las vías apropiadas de las piezas impresas. Deje que las interconexiones fabricadas se sequen durante diez minutos a veintitrés grados centígrados y con presión ambiental. Después de la preparación del sistema de impresión de inyección de tinta y la inspección de las propiedades de la superficie para la capacidad de impresión como se describe en el protocolo de texto.Fije el sustrato en la mesa de sustrato utilizando cinta adhesiva y marque su posición apropiadamente. Ajuste la boquilla y los parámetros de impresión en la configuración de la interfaz de software editando las propiedades del cabezal de impresión en la interfaz del software de las impresoras. Mueva el cabezal de impresión a la posición de la vista de colocación utilizando la opción ir a la posición de vista de caída en la interfaz del software de las impresoras y observe el chorro de la tinta.Si es necesario, ajuste los parámetros de impresión para optimizar el chorro. Elija la boquilla que expulsa gotas de tinta bien definidas y homogéneas para imprimir. Introduzca el número de la boquilla elegida en las preferencias de la impresora.Realice las pruebas de tamaño de caída para determinar el tamaño de una gota impresa en el sustrato para hacerlo imprimir un patrón de colocación utilizando una configuración de impresora conocida. Determine el tamaño de gota alcanzado, utilizando un microscopio calibrado o el sistema de cámara incorporado de la impresora. Asegúrese de que la resolución de impresión utilizada posteriormente sea adecuada para que la humectación de tinta observada fabrique una superficie homogénea y cerrada.Imprima varias estructuras con una capa de tinta utilizada para la primera capa de dispositivo en un sustrato ficticio. Utilice el proceso de curado fotónico para la tinta aislante en el sustrato metálico. Abra la bandeja del equipo de curado fotónico que contiene la mesa de sustrato.Mueva la muestra a la tabla de sustrato del equipo de curado fotónico y fíjela en consecuencia. Ajuste la altura de la tabla de sustrato del equipo utilizando el husillo de la mesa para mover la muestra al plano de enfoque del equipo de curado. Cierre la bandeja, ajuste el perfil de curado según lo recomendado por el proveedor para el material impreso y la interfaz del software del equipo y pulse el botón de inicio.Ajuste la boquilla y los parámetros de impresión como se describe en el protocolo de texto y, a continuación, realice la impresión. Repita la impresión de una capa de tinta hasta que la homogeneidad de la impresión sea satisfactoria. Controlar la homogeneidad de la capa impresa, utilizando un microscopio calibrado.O utilizando el sistema de cámara incorporado de la impresora. Mueva la cámara de la impresora a la posición de impresión y observe la calidad de la impresión indicada en la interfaz del software de la impresora. Para la tinta plateada sobre un sustrato cerámico, utilice el curado térmico en un horno.Como se recomienda con la tinta. Para curar la tinta tiñeda-eléctrica impresa utilice el equipo de curado fotónico con voltaje bancario de 200 voltios y con pulsos de un milisegundo, y repita los pulsos ocho veces a una frecuencia de un hercio. Realice mediciones del perfilómetro para determinar la rugosidad y el grosor de la capa impresa.Coloque la muestra en la tabla de sustrato del perfilómetro. Si no se perfecciona, ajuste el cabezal de medición con el botón correspondiente del software. Elija la resolución y el área, que deben asignarse.Coloque el cabezal de medición en la posición inicial e inicie la medición. Una vez completada la medición, compruebe la coherencia del resultado y guarde los datos. Después del ajuste de la impresora y los parámetros de curado, para las capas posteriores como se describe en el protocolo de texto.Fije el sustrate en la tabla de sustrato en la posición previamente marcada. Ajuste la boquilla y los parámetros de impresión como antes. Seleccione el punto de referencia adecuado para imprimir el patrón y asegúrese de que los patrones impresos estén bien alineados entre sí para garantizar la funcionalidad adecuada del dispositivo después.Cargue el archivo SVG respectivo con la resolución y el tamaño adecuados. Realice la impresión. Repita la peintina de una capa de tinta hasta que la homogeneidad de la impresión sea satisfactoria.Controlar la homogeneidad de la capa impresa bajo un microscopio. Aquí se utiliza el sistema de cámara incorporado de la impresora. Utilice el curado fotónico sólo para el curado de esta capa.Utilice los parámetros determinados de antemano, para una capa aislante o una capa conductora en el aislante. Después del curado, controle las propiedades electircales y estructurales de la capa impresa. Para determinar si el rango de conductividad de la capa conductora es aceptable, utilice un multimitor.Determinar la calidad de la superficie de los sustratos impresos en 3D. Se realizan análisis de microscopía electrónica de barrido. Se muestra la superficie del sustrato de cobre, que es con mucho la más lisa.Por el contrario, el acero como sustrato que no se puede usar para la impresión por chorro de tinta, debido a la alta porosidad y el ángulo de contacto inestable. Además, se muestran imágenes SEM del sustrato de bronce y la superficie de la muestra de titanio. Los tracto conductores en el sustrato cerámico a base de aluminio tienen buena homogeneidad superficial.Como se visualiza aquí como la suavidad de las curvas azules. Además, las superficies que pierden su integridad estructural se pueden identificar mediante los grandes gradientes en sus perfiles de altura. Estos resultados de medición se recopilan utilizando un demostrador, que emplea un principio de detección capacitativa.Aquí, la suavidad de las curvas ilustra la alta calidad alcanzable a pesar de las deficiencias estructurales que podrían resultar de los procesos de impresión. Los pasos más cruciales son asegurar una homogeneidad suficiente y controlar las propiedades superficiales de las estructuras impresas. Estas métricas son factores de habilitación cruciales para los pasos posteriores.La combinación de sustratos impresos en 3D e impresión por inyección de tinta como medio de funcionalización son de gran importancia para el desarrollo de futuros dispositivos robóticos y la producción automatizada. Estas técnicas permiten utilizar la fabricación de sistemas de sensores adaptables para el reacondicionamiento y en sistemas conformables. Que se consideran el futuro de la robótica colaborativa.

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