В наши дни ни один офис не обходится без принтера. Но технологии цифровой печати также играют важную роль в микроэлектронике, микросистемной инженерии и сенсорных системах. Исследователи из Института производственных технологий и передовых материалов им.
Фраунгофера IFAM в Бремене используют различные методы печати для производства электронных компонентов и датчиков. Крошечные резисторы, транзисторы, цепи и конденсаторы сначала проектируются на экране, а затем наносятся непосредственно на двух- и трехмерные подложки, например печатные платы.
Вместо обычных бумажных чернил ученые используют так называемые «функциональные чернила» – электронные материалы в жидкой или пастообразной форме. Диапазон потенциальных применений печатной электроники широк – от электронных схем в цифровых термометрах до гибких листов солнечных элементов и интеллектуальной упаковки со встроенными датчиками.
Чтобы автоматизировать процесс нанесения печатной электроники на компоненты с плоскими и трехмерными поверхностями, ученые IFAM создали роботизированную производственную линию, которая позволяет комбинировать различные методы печати в одном цикле. В производственную единицу интегрированы модули для шелкотрафаретной, струйной, диспенсерной и аэрозольной печати. «Производственная линия с ее центральным роботизированным блоком, устройствами подачи компонентов, системами печати и печами для термообработки позволяет нам функционализировать поверхности в почти промышленных масштабах», – говорит д-р.
Фолькер Цоллмер, руководитель отдела функциональных структур IFAM.
Наличие разных технологий в одной системе позволяет печатать на подложке структуры разной площади поверхности, ширины и толщины. Например, аэрозольная печать позволяет исследователям наносить на компонент очень тонкие структуры шириной всего 10 микрометров.
В этом бесконтактном процессе проводящие чернила превращаются в аэрозоль с помощью сжатого воздуха (пневматическое распыление), а затем подаются на печатающую головку через тонкую трубку. Печатающая головка фокусирует струю аэрозоля на поверхности подложки, которая не обязательно должна быть плоской или гладкой – с помощью этого метода можно печатать даже на изогнутых поверхностях. Также возможно варьировать толщину печатных элементов и создавать многослойные структуры. «Например, помимо размещения схем на печатной плате, мы также можем покрыть ее антикоррозийным покрытием», – говорит Цоллмер.
Итак, как именно работает этот процесс печати?
После того, как управляющее программное обеспечение было запрограммировано для желаемого конечного продукта, путем определения требуемых методов печати и порядка, в котором они должны выполняться, робот берет подложку, например, пустую печатную плату, и отправляет ее первому. печатная станция. Если задача требует интеграции цепей шириной 200 микрометров в подложку, она сначала отправляется в дозатор, пьезоэлектрическую систему дозирования. Дозатор содержит клапан, который позволяет точно определять объем и размер капель вязкой среды – e.грамм. электропроводящий клей – наносится.
Если провод должен быть подключен к датчику, печатная плата затем направляется к аэрозольному принтеру. Это устройство с высоким разрешением печатает датчики. Затем печатная плата проходит через другие принтеры, в зависимости от области применения, прежде чем окончательно пройти термообработку в печи, чтобы получить желаемые рабочие характеристики.
Система способна печатать на подложках размером до листа бумаги DIN-A3 и обрабатывать компоненты высотой до нескольких сантиметров.
Функционализированные поверхности на заказ
Выбор материалов, которые можно использовать в качестве подложек или функциональных красок, практически неограничен. Краски, используемые специалистами IFAM, включают металлы, керамику, электропроводящие полимеры и даже биоматериалы, такие как белки и ферменты. В зависимости от области применения эти среды наносятся на подложки из стекла, текстиля, металлов, керамических пластин и многих других материалов. «Новая производственная линия позволяет нам обрабатывать широкий спектр различных материалов и комбинировать их множеством различных способов, чтобы удовлетворить требования клиентов.
Это включает в себя разработку компонентов, способных предоставлять совершенно новые функции, например оконных стекол со встроенными датчиками для измерения температуры."Цоллмер добавляет. «Печатные датчики также могут использоваться для мониторинга компонентов здания, обеспечивая раннее предупреждение о трещинах и других структурных повреждениях. Они также могут быть полезны в автомобильной промышленности, где тензодатчики, напечатанные на алюминиевых поверхностях с помощью аэрозольной печати, могут обеспечить раннюю индикацию усталости материала в компонентах кузова."
Производственная линия с использованием роботов также помогает сократить время разработки. В прошлом, чтобы обеспечить компоненты с функциями датчиков, часто требовалось интегрировать датчики в компонент после того, как он был изготовлен – процесс, отнимающий много времени.
В зависимости от приложения исследователи IFAM могут достичь того же результата за секунды или минуты, распечатав полностью функциональные компоненты. Это дает преимущества для многих секторов промышленности, включая автомобилестроение и авиакосмическую промышленность, а также микросистемную инженерию. «Мы можем помочь промышленности оптимизировать процессы разработки продуктов, производя прототипы и небольшие партии на нашей производственной линии», – говорит Цоллмер.
Модульная производственная линия также дает клиентам возможность добавлять свои собственные процессы.