Híbrido de la impresión para la fabricación de sensores inteligentes

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 grupos^7,8, 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 propuestos^10,11. 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 literatura^13,14, 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 medida^15,16, presión y tensión detección de^17,18,19y biodetección^20,21, así como gases o vapores Análisis^22,23,24. 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 inteligentes^30,31,32 .

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 optimizados^33,34 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 investigación^35,36,37,38.

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.