Hybride afdrukken voor de fabrikatie van slimme sensoren

Additive manufacturing (AM) is gestandaardiseerd als een proces waarin materialen uitmaken van voorwerpen uit gegevens van het 3D-model te maken. Dit gebeurt meestal laag over laag en dus contrasteert met subtractieve fabricagetechnologieën, zoals halfgeleider productie. Synoniemen zijn 3D-printing, additive fabrication, additieve proces, additieve technieken, additive layer manufacturing, laag productie en vrije vorm fabricage. Deze synoniemen zijn door de Amerikaanse maatschappij van testen en materialen (ASTM)¹ een unieke definitie te geven van de standaardisatie gereproduceerd. In de literatuur, is 3D-printing het proces waar de dikte van de afgedrukte objecten in het bereik van centimeter naar zelfs meter²is genoemd.

Meer gemeenschappelijke processen, zoals stereolithography³, het afdrukken van polymeren inschakelen, maar het 3D-printen van metaal is ook al commercieel beschikbaar. De AM van metalen is werkzaam in vele gebieden, zoals de automobiel-, lucht-en ruimtevaart⁴en medische⁵ sectoren. Een voordeel voor lucht-en ruimtevaart structuren is de mogelijkheid om af te drukken van lichtere apparaten via eenvoudige structurele veranderingen (bijvoorbeeldmet behulp van een honingraat ontwerp). Bijgevolg materialen met, bijvoorbeeld, meer mechanische sterkte, die een aanzienlijke hoeveelheid gewicht (b.v., titanium in plaats van aluminium)⁶anders zou toevoegen, kunnen worden ingezet.

Terwijl het 3D-printen van polymeren reeds goed ingeburgerd is, metalen 3D-printing is nog steeds een levendige onderzoeksonderwerp en allerlei processen zijn ontwikkeld voor het 3D-printen van metalen constructies. Kortom, de beschikbare methoden kunnen worden gecombineerd tot vier groepen^7,8, namelijk 1) met behulp van een laser- of elektronenbundel voor gevelbekleding in een draad-gevoed proces, 2) sinteren systemen met behulp van een laser- of elektronenbundel, 3) selectief smelten poeder gebruiken een laser of electron beam (poeder bed fusion), en 4) een binder jetting proces waar, meestal een inkjet-printkop beweegt over een poeder substraat en uitdeelt bindmiddel.

Afhankelijk van het proces, zullen de respectieve vervaardigde monsters vertonen verschillende oppervlakte en structurele eigenschappen⁷. Deze verschillende eigenschappen moet worden beschouwd in de verdere inspanningen om te verder functionalize de afgedrukte delen (bijvoorbeeld, door het fabriceren van sensoren op hun oppervlakken).

In tegenstelling tot 3D-printing, verwerkt het afdrukken om een dergelijke functionalization (bv., scherm en inkjet printing) dekking alleen beperkt object hoogten van minder dan 100 nm⁹ tot enkele micrometers en zijn dus vaak ook wel aangeduid als 2.5 D-afdrukken. anderzijds laser gebaseerde oplossingen voor hoge resolutie patronen ook zijn voorgestelde^10,11. Een uitgebreid overzicht van de afdrukken processen, de thermisch afhankelijke smelten temperatuur van nanodeeltjes, en de toepassingen wordt gegeven door Ko¹².

Hoewel zeefdruk goed ingeburgerd in de literatuur^{13,14 is}, biedt inkjet afdrukken een verbeterde upscaling mogelijkheden, samen met een verhoogde resolutie voor het afdrukken van kleinere functie. Naast dat is het een digitale, noncontact afdrukmethode waardoor de flexibele afzetting van functionele materialen op driedimensionale. Ons werk richt zich bijgevolg op inkjet afdrukken.

Inkjet printing technologie heeft al tewerkgesteld in de fabricage van sensing elektroden metaal (zilver, goud, platina, enz.). Toepassingsgebieden omvatten^15,16van de meting van de temperatuur, druk en spanning sensing^17,18,19, en biosensing^20,21, evenals gas of damp analyse^22,23,24. Het genezen van dergelijke afgedrukte structuren met beperkte hoogte verlenging kan worden gedaan met behulp van diverse technieken, op basis van thermische²⁵, magnetron²⁶, elektrische²⁷, laser²⁸, en fotonische²⁹ beginselen.

Fotonische genezen voor inkjet-gedrukte structuren kan onderzoekers gebruik van hoog-energetische, genezen, geleidende inkt op substraten met een lage temperatuur weerstand. Exploitatie van deze omstandigheid, de combinatie van 2.5 kunnen D – en 3D-printing processen worden gebruikt om te fabriceren van zeer flexibele prototypes op het gebied van slimme verpakking^30,31,32 en smart sensing.

De geleidbaarheid van 3D-gedrukte metalen substraten is van belang voor de ruimtevaartsector, alsmede voor de medische sector. Het verbetert niet alleen de mechanische stabiliteit van bepaalde delen maar is gunstig in de buurt van-veld, evenals de capacitieve sensing. Een 3D-gedrukte metalen behuizing geeft een extra afscherming/bewaking van de sensor van front-end omdat het elektrisch kan worden aangesloten.

Het doel is om apparaten met behulp van AM technologie fabriceren. Deze apparaten moeten een voldoende hoge resolutie bij de waardering die zij voor (vaak op micro- of nanoschaal) werkzaam zijn en, tegelijkertijd, moeten ze voldoen aan hoge normen met betrekking tot de betrouwbaarheid en kwaliteit.

Het is aangetoond dat AM technology de gebruiker met voldoende flexibiliteit presenteert te fabriceren geoptimaliseerde ontwerpen^33,34 , die een verbetering van de algehele kwaliteit van de meting die kan worden bereikt. Daarnaast is de combinatie van polymeren en enkellaags inkjetdruk gepresenteerd in eerdere onderzoek^35,36,^,37,38.

In dit werk, beschikbare studies worden uitgebreid, en vindt u een review over de fysieke eigenschappen van AM substraten, met een focus op metalen, en hun compatibiliteit met gelaagde inkjetdruk en fotonische genezen. Een voorbeeldige gelaagde spoel ontwerp is in aanvullende figuur 1gegeven. De resultaten worden gebruikt voor het verstrekken van strategieën voor de inkjet-afdrukken van gelaagde sensor structuren op AM metalen ondergronden.