Postęp w dziedzinie elastycznej elektroniki za pomocą stopu ciekłego metalu nadającego się do druku 3D

Zespół naukowców z Oregon State University College of Engineering używa teraz zmodyfikowanego, ciekłego metalu nadającego się do druku 3D, aby zrobić kolejny krok w kierunku szybkiego wytwarzania rozciągliwych urządzeń elektronicznych, takich jak elastyczne ekrany komputerowe i miękkie roboty. Ostatecznym celem jest drukowanie wysokich, złożonych struktur 3D za pomocą przewodzącego stopu galu.

Niedrogie stopy galu są już wykorzystywane do przewodzenia energii elektrycznej w elastycznych urządzeniach elektronicznych, dzięki ich niskiej toksyczności i możliwości samoleczenia. Ale jego drukowność była wcześniej ograniczona tylko do 2D, dopóki zespół OSU, z Collaborative Robotics i Collaborative Robotics Institute (CoRIS) nie opracował modyfikacji, która wykorzystywała energię dźwięku lub sonikację.

Naukowcy wykorzystał tę modyfikację do zmieszania nanocząstek niklu i utlenionego galu w galinstanie, stopu metalu płynnego używanego wcześniej do wytwarzania czujników temperatury z nadrukiem 3D. Kombinacja zagęściła się w pastę do druku 3D.

"Stopu z cieknącą warstwą nie można było pokryć wysokimi strukturami. Dzięki konsystencji pasty można ją układać warstwowo, zachowując jednocześnie zdolność przepływu i rozciągać wnętrze gumowych rurek "- wyjaśnił Yiğit Mengüç, adiunkt w dziale budowy maszyn. "Udowodniliśmy potencjał naszego odkrycia poprzez drukowanie 3D bardzo rozciągliwego dwuwarstwowego obwodu, którego warstwy splatają się ze sobą bez dotykania."

Zespół niedawno opublikował artykuł na temat wyników swoich badań, zatytułowany "Reologiczna modyfikacja ciekłego metalu do produkcji addytywnej elektroniki rozciągliwej" w czasopiśmie Advanced Materials Technologies.

Program Young Investigator Office of Naval Research wspierał pracę, a współautorzy badania: Uranbileg Daalkhaijav, doktorant w dziedzinie inżynierii chemicznej; Osman Doğan Yirmibeşoğlu, doktorant doktor robotyki; Stephanie Walker; i Mengüç.

Streszczenie brzmi: "Jednym z wyzwań dla szybkiego wytwarzania elastycznej elektroniki jest złożoność związana z drukowaniem obwodów z rozciągliwych przewodów. Stopy eutektycznego galu są zwykle używane jako materiał przewodzący, ponieważ mają one wyjątkową wysoką przewodność, właściwości samoleczenia i rozciągliwości. Jednak ograniczone drukowanie 3D zostało wykazane przez wykorzystanie stabilizacji strukturalnej zapewnianej przez cienki film z tlenku galu. Pionowe struktury są trudne do wydrukowania z ciekłym metalem (LM) z powoduniska lepkość i wysokie napięcie powierzchniowe stopu galu, co łatwo prowadzi do koalescencji. Przedstawiono sposób zmieniania fizycznej struktury ciekłego metalu poprzez wprowadzenie przewodzących wypełniaczy nano- lub mikroniklowych. Uzyskana reologiczna modyfikacja ciekłego metalu do pasty drastycznie zwiększa płynny moduł sprężystości i powoduje naprężenie, powodując drukowanie 3D. Ponadto modyfikacja zachowuje wysokie przewodnictwo elektryczne (3,9 x 106 ± 9,5 x 105 S m-1) i rozciągliwość (ponad 350% odkształcenia) czystego ciekłego metalu. Możliwość drukowania trójwymiarowych struktur stojących za pomocą tej wysoce przewodzącej pasty metalowej otwiera nowe możliwości w zakresie produkcji bardziej złożonych, rozciągliwych urządzeń elektronicznych. "

Naukowcy zaprojektowali niestandardową głowicę wytłaczarki, która może obsługiwać pastę ze stopu galu i wydrukować ją na drukarce 3D Stratasys. Następnie przetestowali swoją pracę za pomocą struktur druku 3D o wysokości do 10 mm i szerokości 20 mm. Jedną z rzeczy, których nauczyli się podczas swoich badań, było to, że płynny materiał metaliczny ewoluuje w sposób ciągły, co oznacza, że ​​po upłynięciu 4 godzin zajmuje on pastę strukturalnie.

"Płynny metalowy druk jest nieodłącznym elementem elastyczne pole elektroniczne. Dodatkowa produkcja umożliwia szybką produkcję skomplikowanych projektów i obwodów elektrycznych ", powiedział Yirmibeşoğlu.

" Przyszłość jest bardzo jasna. Łatwo sobie wyobrazić tworzenie miękkich robotów, które są gotowe do pracy, które po prostu wyjdą z drukarki. "

Według współpracującego autora Daalkhaijav pasta ze stopu galu demonstruje wiele funkcji, które są nowością w pole elastycznej elektroniki.

"Można to zrobić łatwo i szybko. Zmiany strukturalne są trwałe, właściwości elektryczne pasty są porównywalne do czystego ciekłego metalu, a pasta zachowuje właściwości samoleczenia "- powiedział Daalkhaijav.

Elastyczne pole elektroniczne obejmuje szeroki zakres produktów, takie jak anteny, czujniki biomedyczne i czujniki momentu obrotowego, giętkie wyświetlacze, tekstylia przewodzące prąd elektryczny i nadające się do noszenia kombinezony czujników, takie jak te używane przez twórców gier wideo.

Zespół OSU będzie kontynuował badania w przyszłości poprzez: ustalenie, w jaki sposób cząstki niklu są ustabilizowane, zbadanie struktury pasty i zbadanie, w jaki sposób struktura zmienia się wraz z upływem czasu wklejania się CD3D .