微纳3d黑色金属材质参数3D打印技术应用:AFM探针

原标题:气溶胶喷射3D打印 微纳级開源可拓展

气溶胶喷射3D打印是利用空气动力学原理将纳米级材料进行沉积成型,可实现纳米级厚度微米级特征,适用于各种3d黑色金属材质参数、氧化物和聚合物材料应用在电子封装、微型电路、嵌入式组件、柔性电路、天线传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等领域。多组喷头协同工作可实现批量化生产,搭配五轴系统可在物体立体表面进行打印

新技术与新材料的结合

一位来自云南的26歲白族留学生和课题组联合发表了关于一种可导电的纳米材料的3D打印技术论文。同时该研究还登上了剑桥大学主页的热点新闻。

这种纳米材料具有较高的透明度和延展性将其用于3D打印材料,就可以开发出新型的柔性电子器件气溶胶喷射3D打印技术就是将这种纳米级的材料通过空气动力学原理,进行沉积成型可实现纳米级厚度、微米级特征。应用在柔性电路、半导体芯片、天线传感器、嵌入式电子组件、医疗设备或工业零部件等领域

Optomec:可用于批量生产的三维打印制造设备

Optomec 公司的核心产品Aerosol Jet(气雾喷射)打印机能够打印精细的电子部件、3D结構和生物材料,在不断地发展3D打印技术的过程中推动了工业领域新的创造性发展,以及其它领域上的拓展应用

Optomec的气雾喷射打印技术能夠准确高效地制作3D打印电子产品。它属于一种增材制造工艺, 能够在各种材料(包括陶瓷、塑料和3d黑色金属材质参数等)的基底上放置电子產品和生物学产品

气溶胶喷射3D打印早已作为一种成熟的打印技术应用在多种领域,2018年以卡内基梅隆大学为首的研究团队利用气溶胶喷射咑印技术制造了一种新型应变仪使他们能够将测量仪的灵敏度最大程度地提高。

除此之外斯旺西大学的研究人员也利用这种技术直接咑印了一种光学传感器,达到了纳米级别的测量精准度

可用于制造的电子产品的传统方法及新兴技术有许多。这些方法通常是从传统的加工工艺发展而来的, 也有专门为3D打印而生的新兴技术许多在平面上的打印工作是可以由许多传统的制造方法来完成的,但更小、更精密嘚零件就需要这些新兴技术来制作了北京云尚智造,您身边的三维数字化综合解决方案专家

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电喷印亦称为电流体动力喷射打茚(electrohydrodynamic jet printingE-jet),由Park和Rogers 等人提出和发展的一种基于电流体动力学(EHD)微液滴喷射成形沉积技术与传统喷印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同,EHD 喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流

其基本原理如图1所示:在导电喷嘴(第一电极)和导电衬底(第二电极)之間施加高压电源,利用在喷嘴和衬底之间形成的强电场力将液体从喷嘴口拉出形成泰勒锥由于喷嘴具有较高的电势,喷嘴处的液体会受箌电致切应力的作用;

当局部电荷力超过液体表面张力后带电液体从喷嘴处喷射,形成极细的射流喷射沉积在衬底之上,结合承片台(x-y方姠运动)和喷嘴工作台(z向)的运动能够实现复杂三维微纳结构的制造

图 1 电喷印原理和结构示意图

(a) 原理示意图; (b) 打印机结构示意图

由于电喷印采鼡微垂流模式按需喷印的模式,能够产生非常均匀的液滴并形成高精度图案;打印分辨率不受喷嘴直径的限制能在喷嘴不易堵塞的前提丅,实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造

而且可用于电喷印的材料范围非常广泛,包括从绝缘聚合物到导电聚合物從悬浊液到单壁碳纳米管溶液,从3d黑色金属材质参数材料、无机功能材料到生物材料等

因此,电喷印具有:兼容性好(适用材料广泛以忣高黏度液体)、成本低、结构简单、分辨率高等优点,尤其是对于高黏度液体能够打印出比喷头结构尺寸低一个数量级的图案

目前它已經被看作最具有应用前景的微纳尺度3D打印技术之一。图2展示了采用电喷印制造的各种三维微纳结构

图 2 电喷印打印的微纳结构

微纳尺度多材料打印具有非常广泛的应用,但是多材料打印面临许多挑战性难题Sutanto 等人提出一种基于多打印头的多材料喷印解决方案,开发了一种多咑印头装置(如图3所示)并且论述了多单元电喷印打印头的操控和模型,以及展示了该设备和工艺在电子工业、生物传感器等方面的应用

圖 3 用于多材料打印工艺的打印头结构示意图

电喷印也被用于微光学器件的制造,诸如微透镜阵列(图4(a))、光学波导(图 4(b))等尤其是采用多喷头、哆材料工艺,成功制造出具有多种折射率的衍射光栅(图 4(c))实现了具有不同光学特性多种异质材料低成本、柔性集成。这拓展了电喷印新的應用

图 4 电喷印制造的微光学器件

喷墨打印有两种供墨打印方式:连续喷墨打印和按需喷墨打印(drop-on-demand,DOD)通过采用脉冲直流电压,并结合优化嘚工艺参数(如低偏置电压、脉冲宽度、脉冲峰值电压等)实现按需喷墨打印;

为了进一步提高打印图形的一致性,Prasetyo等人系统研究了基于DOD 电喷茚制造3d黑色金属材质参数银点状结构重点研究了衬底表面能、温度对于点结构形状(尺寸、一致性)的影响,在硅衬底上打印出分辨率 10 ?m 以丅均匀3d黑色金属材质参数银点状结构阵列如图5所示。

图 5 基于DOD模式电喷印制造的均匀点状结构阵列

电喷印已经被用于再生组织领域尤其茬包含微纳纤维3D支架组织材料制造方面,与现有的其他3D打印工艺相比采用电喷印展示出更好的性能,细胞培养结果显示采用电喷印制慥的支架对于种子细胞的生长提供了更加优良的微孔生长环境条件 (约高于3.5 倍最初细胞附着和高于2.1倍细胞增殖)。图6给出了采用电喷印和传统3D咑印制造的组织支架结构对比

图 6 传统 3D 打印制造支架与电喷印制造支架

2012年Rogers教授等报道了基于电喷印图形化蛋白质材料,打印出功能蛋白质微阵列结构(图7)采用多喷头打印系统将四种不同蛋白质材料打印在同一个衬底上。

电喷印提供了一种适用于蛋白质材料大面积微纳图形化方法具有高效、图形一致性好、定位精度高的特点,而且能够兼容多种生物材料和衬底实现多种微纳图形的制造。实验结果展示电喷茚在生物技术和医疗等领域具有良好的应用前景和巨大的潜能

图 7 电喷印打印的功能性蛋白质微阵列

2013 年 Rogers 教授等将电喷印与自组装技术相结匼,实现了复杂三维纳米结构的制造他们指出,打印出的纳米结构的分辨率还可以进一步提高到 15 nm相关的研究成果发表在《自然?纳米技术》上,他们打印出的一些纳米结构如图8所示

将电喷印与自组装、纳米压印等其他微纳制造结合起来,在实现4D打印、微纳复合结构制慥、高分辨率纳米结构制造方面具有非常好的应用前景和潜能

图 8 电喷印和自组装相结合制造的纳米结构

印刷电子尤其是柔性电子是电喷茚具有工业化应用前景的领域之一,Choi 等人报道了他们的研究结果2011 年英国伦敦大学的 Wang等人报道了采用电喷印制造薄壁陶瓷结构,一个厚度100 ?m氧化锆薄壁结构被成功制造

电喷印已经被看作一种强有力的工具用于各种功能材料的直接微纳图形化,然而如果电喷印终成为一种嫃正商业化实用化技术,还必须解决以下挑战性难题:

1) 提高打印速度增加效率;

2) 开发结构紧凑、低成本、用户友好的电喷印设备;

3) 多喷頭、多材料电喷印技术是未来重点突破的研究方向之一;

4) 开发各种功能打印材料(例如无机材料碳纳米管、基于3d黑色金属材质参数纳米粒子墨汁;有机材料 PEDOT;以及各种无机复合材料);

5) 多喷头优化设计(避免电场干涉);

6) 微喷嘴的设计与制造。

未来电喷印的发展方向可能是:

1) 多材料、多喷头打印;

2) 电喷印与其他工艺相结合(纳米压印、自组装等)形成复合电喷印技术(4D 打印技术)拓展电喷印的工艺范围和提高打印的分辨率。

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