Aerosol Jet（氣溶膠噴射）在3D和柔性基板上的打印 |云尚智造

Aerosol Jet（氣溶膠噴射）在3D和柔性基板上的打印 |云尚智造

云尚智造是Aerosol Jet 3D打印技術(shù)發(fā)明者和專利擁有者（Optomec公司）在中國教育及科研領(lǐng)域的唯一授權(quán)總代理。我們在北京總部建立了Aerosol Jet 3D打印應(yīng)用和服務(wù)中心，可為國內(nèi)用戶提供按需打印、技術(shù)咨詢、設(shè)備安裝和技術(shù)支持等相關(guān)服務(wù)。歡迎各位老師和同學(xué)咨詢，我們將竭誠為您服務(wù)。詳情可咨詢400-900-5667。

摘要隨著技術(shù)不斷生產(chǎn)出更小、更復(fù)雜的系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)加工技術(shù)無法始終支持它們。主要問題是，傳統(tǒng)的多步驟制造技術(shù)需要一個(gè)剛性的平面框架來完成整個(gè)生產(chǎn)。通過使用三維（3D）增材制造方法，系統(tǒng)集成度可以大大得到改善、更小的封裝足跡、更少的步驟、更少的浪費(fèi)、更輕的重量，并可能降低制造成本。

在這里，我們展示了直寫打印如何將自己確立為一種使能技術(shù)，用于在3D和柔性表面上生產(chǎn)電路和傳感器，而這些是傳統(tǒng)技術(shù)無法制造的。在過去的5年中，QUEST Integrated (Qi2) 一直在使用Optomec公司的專利技術(shù)Aerosol Jet® (AJ)直寫打印系統(tǒng)，該AJ系統(tǒng)可以將各種材料沉積到幾乎任何類型的基材上，前提是這些材料具有兼容的表面能。AJ的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是該過程是非接觸式，因此幾乎可以實(shí)現(xiàn)在任何表面形貌上進(jìn)行打印，只要相關(guān)的表面可以暴露于噴嘴下。通過內(nèi)部流程開發(fā)、各種合同研究和豐富的油墨和沉積打印經(jīng)驗(yàn)，Qi2開發(fā)了廣泛的AJ沉積打印專業(yè)知識(shí)，可以為客戶提供各種新項(xiàng)目。

簡(jiǎn)介Qi2在合同工程、研發(fā)方面有著悠久的歷史，重點(diǎn)關(guān)注用于無損檢測(cè)(NDT)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域的儀器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的商業(yè)化，尤其是在能源、交通運(yùn)輸領(lǐng)域,和航空航天部門。AJ系統(tǒng)對(duì)于這些應(yīng)用的新一代工具具有強(qiáng)大的潛力。

直接書寫(DW)打印是一種增材制造技術(shù)，其中材料分層沉積以生產(chǎn)所需的特征。DW用于將功能電子電路、元件和傳感器直接打印到柔性、低溫和非平面表面上，無需任何特殊工具。通常CAD/CAM元素與包含所需材料的“墨水”的DW打印設(shè)備耦合，允許選擇性圖案。油墨通常由懸浮在液體載體中的一些功能材料組成，如納米顆�；蚓酆衔铩＿@種方法明顯不同于傳統(tǒng)的減材制造，后者使用大面積沉積、光刻化學(xué)品和有毒蝕刻劑去除材料以獲得目標(biāo)圖案。

Optomec公司開發(fā)了氣溶膠噴射(AJ)技術(shù)，并獲得專利，用于精細(xì)材料沉積。通過氣動(dòng)或超聲波方法產(chǎn)生細(xì)小墨滴的氣溶膠，并以氣流推進(jìn)到基材上，如圖1所示。AJ工藝?yán)�用一種創(chuàng)新的空氣動(dòng)力學(xué)聚焦技術(shù)，將這種充滿材料的致密氣溶膠霧狀微滴準(zhǔn)直成一束緊密控制的材料，該材料束可產(chǎn)生小至10μm或大至幾厘米的特征。與移動(dòng)打印頭或基板的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以使用基于CAD的程序來創(chuàng)建高分辨率圖案，以產(chǎn)生獨(dú)特的特征以及廣域共形涂層。市售氣溶膠噴射打印頭可通過優(yōu)化來打印小于10μm的特征尺寸，并且能夠沉積高粘度（高達(dá)1000cP）、高顆粒負(fù)載（大于70wt%）、寬粘度范圍的油墨遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)噴墨書寫的范圍。最先進(jìn)的特征之一是非接觸沉積，可以在臺(tái)階、曲面上打印軌跡，并在3D對(duì)象上共形打印，同時(shí)打印的對(duì)峙距離可達(dá)5mm。通過工藝優(yōu)化，成功的沉積被證明可以達(dá)到10mm的對(duì)峙距離。

圖1.氣溶膠噴射技術(shù)的詳細(xì)示意圖，氣溶膠油墨聚焦對(duì)峙距離超過5mm。（圖由Optomec,Inc.提供)。

使用AJ系統(tǒng)，可以霧化各種功能材料。主要材料為導(dǎo)電、絕緣、電阻、介電和生物基墨水。導(dǎo)電油墨通常包括金屬納米顆粒(例如銀、金、銅、鎳、鉑)或?qū)щ娪袡C(jī)物(PEDOT：PSS和碳納米管)。絕緣油墨可以包括溶解的聚合物、UV環(huán)氧樹脂、粘合劑和熱固性樹脂。雖然大多數(shù)油墨需要一些后沉積熱處理，但是AJ打印系統(tǒng)還配備有近紅外激光，用于在溫敏材料（Tm≤120°C）上原位燒結(jié)金屬納米顆粒油墨。Qi2采用Aerosol Jet的商業(yè)模式，該模式整合了內(nèi)部項(xiàng)目和獨(dú)特的研發(fā)服務(wù)，使擁有和沒有AJ能力的客戶都能受益于Qi2的工藝開發(fā)專業(yè)知識(shí)。本文簡(jiǎn)要介紹了AJ打印可以在3D和柔性基板上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)系統(tǒng)的概念。STRUCTURAL HEALTH MONITORING (SHM) -- 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)隨著復(fù)雜性的增加和對(duì)零件壽命的要求的提高，軍事和航空航天行業(yè)正在積極尋求在服役期間監(jiān)控關(guān)鍵零件的方法，并提供更好的可靠性和性能結(jié)果。目前的方法要求在使用之間進(jìn)行無損檢測(cè)（NDI），但這還不夠。通過將監(jiān)控系統(tǒng)集成到零件中，無論形狀或尺寸如何，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)都可以在不增加重量或顯著成本的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

金屬結(jié)構(gòu)（Metallic Structures）：Qi2的一個(gè)應(yīng)用實(shí)施展示了將自給自足的監(jiān)控系統(tǒng)（self-sufficient monitoring system）直接打印到F-15機(jī)翼部件的腹板上的實(shí)用性。通過直接將電路沉積在零件上，能夠消除固定連接和在熱點(diǎn)位置增加笨重的剛性材料。在該系統(tǒng)中，使用了允許持續(xù)無線評(píng)估的天線。打印機(jī)的氣溶膠射流聚焦鞘氣允許噴嘴保持在側(cè)翼內(nèi)，距離腹板平面10mm。下圖2是飛機(jī)部件和裝配的健康監(jiān)測(cè)電路的圖像。部件的涂層有幾個(gè)表面缺陷，這要求首先對(duì)電介質(zhì)材料進(jìn)行圖案化處理，以確保打印導(dǎo)電跡線的電氣絕緣。離散的電氣元件用導(dǎo)電的銀環(huán)氧樹脂連接。

圖2.(左上)F-15部件,(左下)監(jiān)控電路的沉積,(右)最終產(chǎn)品。Qi2開發(fā)的概念。

復(fù)合結(jié)構(gòu)（Composite Structures）：復(fù)合材料為航空航天,體育用品,醫(yī)療和汽車行業(yè)提供了重大的結(jié)構(gòu)進(jìn)步。同樣,需要不斷了解它們?cè)谑褂眠^程中的行為,以評(píng)估性能和失效機(jī)理。AJ提供了一種低溫過程,可以應(yīng)用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),以部分或全部嵌入傳感器和電路。

在該項(xiàng)目中,一個(gè)SHM系統(tǒng)沉積在一個(gè)由6層緞面5H carbon/PPS復(fù)合結(jié)構(gòu)制成的熱成型翼肋上。該設(shè)計(jì)包括應(yīng)變儀和高應(yīng)力位置旁邊的發(fā)射天線。為了在一次沉積中打印整個(gè)電路,復(fù)合肋的定向方式應(yīng)確保兩個(gè)圖案接收側(cè)相對(duì)于打印頭保持45°傾斜,如圖3所示。油墨和工藝條件允許2-10mm的可變間距。SPIE Smart Structures、Materials和SAMPE 2013 proceedings等會(huì)議論文中進(jìn)行了進(jìn)一步的描述。。

圖3.（L）復(fù)合結(jié)構(gòu)在CAD布局的輔助下通過夾具定向（插圖）（R）打印電路和應(yīng)變計(jì)。由Qi2開發(fā)的概念。

            應(yīng)變計(jì)（Strain Gauges）：同樣，AJ提供了一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和復(fù)雜形狀的應(yīng)變計(jì)(SG)的獨(dú)特方法。通過沉積強(qiáng)力粘合劑絕緣樹脂，可實(shí)現(xiàn)在平面，非平面和柔性表面上打印厚度小于2μm的應(yīng)變計(jì)。

圖4.(L)打印在不銹鋼鋼管上的應(yīng)變計(jì),(R)打印在鋁板上的SG。

3D打印通過以更低的成本提供創(chuàng)新的制造技術(shù)，增材制造可以克服許多傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制。如熔融堆積成型(FDM打印)，其中通過以相對(duì)高的分辨率擠壓熱塑性材料層來創(chuàng)建3D部件。這些部件用于創(chuàng)建模型、原型和最終產(chǎn)品應(yīng)用。

AJ提供了一個(gè)輔助工藝，進(jìn)一步推進(jìn)了這種方法的增材制造。例如，圖5顯示了一個(gè)3D打印盒子（由ABS塑料制成），它之前封裝了一個(gè)傳統(tǒng)的剛性電路板。取而代之的是，將電路直接打印到機(jī)箱內(nèi)部，而無需中間處理。低溫?zé)�結(jié)納米顆粒油墨的使用，允許燒結(jié)跡線在溫度敏感ABS塑料（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為105°C）上達(dá)到25%的大塊銀導(dǎo)電率，而不會(huì)導(dǎo)致聚合物形狀的任何降解。還展示了AJ打印如何以良好的分辨率與擠出的ABS珠層形成的紋理表面保持一致。非接觸式沉積提供了微觀表面紋理的堅(jiān)固連接。

圖5.（L）在3D打印的ABS件上打印電路（R）打印ABS表面的增強(qiáng)視圖。

柔性電路典型的打印電路板(PCB)需要大而厚的導(dǎo)電跡線，通過通孔連接并在整個(gè)電路板上由剛性絕緣層隔開。AJ打印引入了一種資源節(jié)約型增材工藝，用于在幾乎任何柔性基板上制造柔性電路。無掩模AJ打印系統(tǒng)允許快速制造多層電路和傳感器。通過使用高導(dǎo)電油墨和細(xì)間距特征，電路也可以按比例縮小到低于傳統(tǒng)幾何形狀。

AJ打印允許使用不能通過噴墨或絲網(wǎng)打印等工藝處理的各種油墨。對(duì)于多層電路，低粘度和高粘度材料都可以交替沉積，形成小型柔性互連。示例如圖6所示，展示了多層制造步驟。所示部件將嵌入飛機(jī)組件上的SHM系統(tǒng)中。該電路需要承受相對(duì)較高的電壓（約100V），這要求使用高性能材料以確保出色的導(dǎo)電性和介電強(qiáng)度。該構(gòu)型利用銀納米顆粒和溶解的聚酰亞胺油墨。打印互連的電阻范圍為0.1-5.0Ω。在模擬飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的條件，在鹽腐蝕室中進(jìn)行的>100小時(shí)的試驗(yàn)中，聚酰亞胺也被證明能有效保護(hù)銀層免受任何化學(xué)侵蝕。

        

圖6.AJ打印多層柔性電路的圖像和最終安裝到零件。

打印傳感器通過增材制造技術(shù)制造的柔性和共形傳感器通過增加傳感器的多功能性并可能降低材料和制造成本提供了許多優(yōu)勢(shì)。在這里，我們展示了幾種設(shè)計(jì)用于復(fù)合結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的柔性傳感器。傳感器的成功高度依賴于墨水能力和專為AJ優(yōu)化的打印工藝開發(fā)之間的協(xié)同作用。

例如，將損傷檢測(cè)傳感器噴射到復(fù)合材料和柔性表面上。傳感器是通過在導(dǎo)電電極之間打印高壓電聚合物（piezoelectric polymer）聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的，如圖7所示。在機(jī)械壓力下，PVDF層會(huì)產(chǎn)生與施加的壓力成比例的電子信號(hào)。由于PVDF的居里溫度低，因此頂部電極是用室溫固化導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS制造的。

               圖7.(Top)直寫制造壓力傳感器的工藝草圖，(Bottom left)玻璃上的傳感器圖示,(Bottom right)打印在Kapton箔上的PVDF傳感器。

該技術(shù)還為制造不同材料和間距的叉指電極提供了一種有利的方法，適用于從醫(yī)療診斷到用于傳感應(yīng)用的電阻和電容波動(dòng)的傳感應(yīng)用。圖8中的叉指型水傳感器由銀(Ag)和銅(Cu)電極組成。電極用銀和銅納米粒子油墨打印。水傳感器被集成為嵌入式傳感器，以監(jiān)測(cè)水對(duì)目標(biāo)飛機(jī)部件的腐蝕。

圖8.由Ag-Cu電極組成的叉指型水傳感器（Ag-左，Cu-右）。

打印加熱器（PRINTED HEATERS）將基于分形的加熱元件沉積在玻璃/環(huán)氧（glass/epoxy）轉(zhuǎn)子葉片的前緣上。AJ打印的獨(dú)特對(duì)峙距離功能允許在變化的半徑上直接制造。在沉積過程中，打印頭保持靜止，基板固定在運(yùn)動(dòng)控制的壓板上。打印程序被設(shè)計(jì)為3D表面上的2D投影。為了符合彎曲的前緣部分，如圖9所示，將圖案分割成三個(gè)單獨(dú)的打印件，要求零件對(duì)于每個(gè)步驟都具有不同的取向。然后對(duì)打印的加熱器施加相對(duì)較低的電壓以產(chǎn)生顯著的熱量。

圖9.(L)加熱器圖案的顏色以示出串行打印段，(Top right)打印的頂部側(cè)面和前緣，,(Bottom right) 打印加熱器的熱成像圖。

打印探頭和線圈（PRINTED PROBES AND COILS）聚焦氣溶膠束為平面和非平面襯底上的細(xì)螺距線圈提供了無與倫比的沉積技術(shù)。創(chuàng)新的鞘層氣體聚焦打印技術(shù)允許在不同的表面形貌上精確控制寬度小于10μm的精細(xì)特征。圖10（左）圖中顯示了直徑為1.4mm的管6上的周向線圈和共形線圈，用于制造微型線圈，用于制造具有清晰解析振蕩的微型柔性磁探針。圖10（右）顯示了聚合物涂層紙上的傳統(tǒng)RFID線圈。

圖10.(L)位于一個(gè)硬幣上方的直徑1.4mm管子上的三通道、三軸共形探頭,(R)紙上的RFID線圈。

總結(jié)Aerosol Jet(氣溶膠噴射)打印工藝填補(bǔ)了許多新興技術(shù)在墨水特性、間隔距離、成本和處理時(shí)間方面受限的空白。在本文中，我們介紹了Qi2使用Aerosol Jet作為將傳感器和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接制造到柔性和3D表面等的首要技術(shù)的一些項(xiàng)目。獨(dú)特的聚焦氣溶膠流以1~10mm的間隔距離均勻地在基材上沉積特征。打印特征使用各種粘度的油墨，粘度范圍從水(1cP)到超過機(jī)油(>1000cP)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)傳統(tǒng)打印技術(shù)的范圍。配置的系統(tǒng)非常適合快速原型制作、較短的產(chǎn)品開發(fā)周期和具有成本效益的小批量制造，打印設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)通�？梢栽谝粌商靸�(nèi)完成。

感謝這項(xiàng)工作的一部分得到了美國海軍SBIR合同N68335-10-C-0155和美國空軍SBIR合同F(xiàn)A8501-09-C-0029的部分支持。SBIR：美國小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃。

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