Ibrido di stampa per la fabbricazione di sensori intelligenti

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 gruppi^7,8, 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 proposti^10,11. 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 letteratura^13,14, 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 misura^15,16, pressione e ceppo rilevamento^17,18,19e biosensori^20,21, così come gas o vapore analisi^22,23,24. 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 intelligente^30,31,32 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 ottimizzati^33,34 , 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 ricerca^35,36,37,38.

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.