Многофункциональное нанесение (MFAM)
Технология была разработана Э. Салехом (E. Saleh) совместно с группой исследователей Центра аддитивного производства (Centre of Additive Manufacturing, CfAM) Ноттингемского университета (University of Nottingham) в 2017 году.
В основе разработки лежит предположение о том, что технология пьезоэлектрического капельного нанесения материала (ПКНМ) является ключевым процессом для одновременной печати разными материалами.
В соответствии с ГОСТ Р 57589 (ASMT F2792-12A) данный метод можно отнести к категории процессов «Струйное нанесение материала» (Material jetting).
Терминология
В англоязычной литературе для обозначения данного метода обычно используют термин Multi-Functional Additive Manufacturing (MFAM). На русском языке информация о данной технологии печаталась лишь в электронных новостях некоторых сайтов. Насколько известно авторам, это первое упоминание технологии в русскоязычных статьях.
В связи с этим для единообразия применяемой в трехмерной печати терминологии в статье будет употребляться термин «многофункциональное нанесение» (МФН).
Принцип печати
Принцип печати подобен описанному для ПКНМ в третьей части данного цикла статей. Способ отверждения проводящих чернил здесь отличается от применяемого ИК-нагрева в 3D-принтерах компаний NanoDimension и BotFactory.
Салех с соавторами выдвинули гипотезу о том, что УФ-излучение может быть использовано для одновременного преобразования УФ-отверждаемых полимерных материалов и спекания проводящих материалов, содержащих наночастицы серебра. В основе проведенных исследований лежал метод интенсивного импульсного света (Intense Pulsed Light, IPL), имеющий фототермический механизм действия.
Данный механизм работает по следующему принципу: ксеноновые лампы большой мощности испускают короткие интенсивные импульсы на чернила, в результате происходит нагрев материала чернил за счет фотонного поглощения и генерации тепла. Следует отметить, что при недостаточном контроле данного процесса возможно разрушение напечатанных проводников из-за резкого нагрева и охлаждения.
Ранее другие исследователи рассматривали УФ-излучение как вспомогательную операцию при термообработке. Например, С. Вюншер (S. Wünscher) с соавторами сообщили, что самого по себе УФ-излучения недостаточно для превращения чернил с наночастицами металлов в проводящие аналоги. Однако группа исследователей CfAM считает, что это утверждение справедливо для медных наночернил, которые имеют высокий пик поглощения около 600 нм, а для серебряных наночернил с частицами диаметром менее 50 нм УФ-излучение в диапазоне длин волн 390 нм может быть эффективным методом спекания без термообработки, поскольку их пик поглощения находится в диапазоне 380–420 нм.
В результате проверки было обнаружено, что наночастицы серебра в проводящих чернилах способны эффективно поглощать УФ-излучение. Поглощенное УФ-излучение преобразуется в тепло, которое испаряет растворители, входящие в состав чернил, и спекает наночастицы серебра, другими словами, происходит процесс фототермического спекания. Этот процесс влияет только на проводящие чернила и, таким образом, не повреждает ранее напечатанные полимерные (диэлектрические) чернила. Также исследователи установили, что для эффективного спекания необходимо выполнить следующее требование: длина волны источника фотонов должна соответствовать пикам спектрального поглощения серебряных чернил. Схема процесса проиллюстрирована на рис. 1.
Примечание. Размеры указаны не в масштабе и справедливы для 3D-принтера, используемого в исследованиях Салеха с соавторами.
Материалы
В процессе используются УФ-отверждаемые серебряные наночернила и диэлектрические чернила. В своих исследованиях Салех с соавторами использовали:
- серебряные наночернила SilverJet DGP‑40LT‑15C фирмы Advanced Nano Products (ANP), состоящие из 38,85 мас.% частиц серебра, диспергированных в монометиловом эфире триэтиленгликоля (triethylene glycol monomethyl ether, TGME);
- графитовые чернила на водной основе серии 3800 фирмы Methode Development Co.;
- диакрилатные мономерные диэлектрические чернила, содержащие три (пропиленгликоль) диакрилат (Tri (Propylene Glycol) Di-Acrylated, TPGDA), 2,4‑диэтилтиоксанон (2,4‑diethylthioxanthone, DETX) и этил 4-(диметиламино) бензоат (Ethyl 4-(dimethylamino) benzoate, EDB).
Примечание. Акрилатные соединения являются светочувствительными.
Принтеры
В связи с тем, что технология разработана относительно недавно, на сегодня она не коммерциализирована. Использованный для исследований Салеха и соавторов 3D-принтер частично описан в их работах.
Печать ПП
В своих исследованиях Салех с соавторами использовали маломощный источник УФ-излучения на основе светоизлучающих диодов с диапазоном длин волн 386–401 нм и пиком излучения при 395 нм.
Диэлектрические чернила печатались и отверждались в реальном времени за счет приложения УФ-излучения после каждой напечатанной линии (прохода печати). Серебряные чернила спекались путем приложения УФ-излучения после завершения печати каждого слоя.
Применение процесса фототермического спекания позволило превратить серебряные наночернила в твердые проводящие проводники из жидкой фазы, исключив необходимость в процессах предварительного или последующего нагрева. После 30 с УФ-облучения печатные проводники показали среднее удельное сопротивление 0,48 мкОм∙м, которое было ниже, чем удельное сопротивление тех же чернил после 15 мин спекания в печи при +130 °C, как рекомендовано поставщиком чернил.
Примеры изделий, напечатанных данным методом, приведены на рис. 6. С демонстрацией процесса печати и полученных результатов можно ознакомиться на примере печати маленького двухколесного роботизированного автомобиля (рис. 2б) и буквы N (рис. 2а)
Авторы
Ольга Смирнова
olga.smirnova.nik@gmail.com
Юлия Боброва
ju. s.bobrova@bmstu.ru
Константин Моисеев
k.moiseev@bmstu.ru
Обращайтесь по любым вопросам!
Подписывайтесь на наш канал, а также следите за нами в социальных сетях:
➡️ Telegram
➡️ VK
➡️ YouTube
