【Mixed 3D printing technology】哈佛大学和美国空军研究实验室联合开发出新型“混合3D打印”技术

摘要: 哈佛大学的威斯研究所和美国空军研究实验室合作开发了一种用于软电子器件新型“混合3D打印”技术,该技术可用于制造可穿戴电子设备。

09-11 15:32 首页 电科防务研究

       哈佛大学的威斯研究所和美国空军研究实验室合作开发了一种用于软电子器件新型“混合3D打印”技术,该技术可用于制造可穿戴电子设备。这项研究已经发表在《Advanced Materials》杂志上,题为“混合3D打印柔性电子设备”。



毫无疑问,软电子器件将在未来的技术创新中将发挥重要作用,特别是在运动和人类表现分析等领域。

哈佛大学威斯研究所和美国空军研究实验室之间的新合作可能将可穿戴电子产品提升到一个新的水平,两家机构创建了一种名为“混合3D打印”的软电子器件增材制造技术。

新工艺的潜力是巨大的。据研究人员介绍,混合3D打印将柔性导电油墨和基体材料与刚性电子组件集成到一个单一的可拉伸装置中。电子传感器可以直接3D打印到软质材料上,同时该工艺还可以数字化地拾取和放置电子元件,并打印完成读取传感器数据所需的电子电路的导电互连。重要的是,该技术可以显着减少制造时间和成本,并可能产生更强大的设备。

威斯研究所的工程师亚历克斯·瓦伦丁表示,“通过这种技术,我们可以将电子传感器直接打印到材料上,采用数字化方式地拾取和放置电子元件,并打印完成电子电路的导电互连,一下子‘读取’传感器的数据信号。”

在新的3D打印工艺中,将与银薄片混合的热塑性聚氨酯(TPU)制成的可拉伸导电油墨3D印刷到TPU基板上,“提供对被图案化的导电特征的完美控制”,并且能够构建“几乎每个大小和形状”的软电子电路。

该工艺使得导电油墨中的银薄片沿着打印方向自己对准,使其平坦的板状侧面彼此顶部叠层。

瓦伦丁表示,“因为衬底和电极都含有TPU,所以当它们被一层一层地打印时,其在烘干之前就彼此强烈地粘合在一起。在溶剂蒸发后,两种油墨都会固化,形成一个既柔软又可拉伸的集成系统。”

可编程微控制器芯片和读出装置(以人类可以理解的方式解释传感器数据)通过使用空的打印喷嘴施加适度真空的数字化“拾放工艺”集成到软传感器中。

通常分配油墨的真空印刷喷嘴可以被编程为以精确的方式将电子组件放置在基板表面上。

但研究人员发现了一种聪明的方式来确保这些刚性电子组件与可拉伸装置保持兼容:在将其连接到下面的软TPU基板之前,将TPU墨水点放置在每个组件下方。这些TPU点在干燥时锚固刚性组件并在整个基体上分布应力。这意味着设备可以延伸到30%,同时仍然保持功能。

研究团队有两个令人印象深刻的演示产品。一个涉及应变传感器,通过将银-TPU-墨水电极印刷到纺织品基底上并且使用拾放技术来应用微控制器芯片和读出LED。结果是可佩戴的袖子装置可以精确测量穿戴者的手臂弯曲的程度,通过LED显示屏显示结果。例如,该可穿戴装置可以用于分析运动员的投掷技术。

另一个装置是人的左脚形状的压力传感器是通过“打印交替的导电银-TPU电极层和绝缘TPU”在柔性TPU衬底上形成电容器制成的。” 当用户踏上传感器时,器件中的变形图案接下来在“热图”中可视化。

参与该项目的研究人员之一刘易斯是Voxel8开发者套件3D打印机背后的大脑。她说新的混合3D打印工艺是令人难以置信的令人兴奋的:“我们相信,这是制造可定制的、可穿戴成本低、机械性强的电子产品重要的第一步。”


感谢编译/述评:宋文文

文章来源:国防科技信息网

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