Aerosol Jet（气溶胶喷射）在3D和柔性基板上的打印 |云尚智造

Aerosol Jet（气溶胶喷射）在3D和柔性基板上的打印 |云尚智造

云尚智造是Aerosol Jet 3D打印技术发明者和专利拥有者（Optomec公司）在中国教育及科研领域的唯一授权总代理。我们在北京总部建立了Aerosol Jet 3D打印应用和服务中心，可为国内用户提供按需打印、技术咨询、设备安装和技术支持等相关服务。欢迎各位老师和同学咨询，我们将竭诚为您服务。详情可咨询400-900-5667。

摘要随着技术不断生产出更小、更复杂的系统，我们发现传统加工技术无法始终支持它们。主要问题是，传统的多步骤制造技术需要一个刚性的平面框架来完成整个生产。通过使用三维（3D）增材制造方法，系统集成度可以大大得到改善、更小的封装足迹、更少的步骤、更少的浪费、更轻的重量，并可能降低制造成本。

在这里，我们展示了直写打印如何将自己确立为一种使能技术，用于在3D和柔性表面上生产电路和传感器，而这些是传统技术无法制造的。在过去的5年中，QUEST Integrated (Qi2) 一直在使用Optomec公司的专利技术Aerosol Jet® (AJ)直写打印系统，该AJ系统可以将各种材料沉积到几乎任何类型的基材上，前提是这些材料具有兼容的表面能。AJ的一个关键优势是该过程是非接触式，因此几乎可以实现在任何表面形貌上进行打印，只要相关的表面可以暴露于喷嘴下。通过内部流程开发、各种合同研究和丰富的油墨和沉积打印经验，Qi2开发了广泛的AJ沉积打印专业知识，可以为客户提供各种新项目。

简介Qi2在合同工程、研发方面有着悠久的历史，重点关注用于无损检测(NDT)、结构健康监测(SHM)和质量控制等领域的仪器和自动检测系统的商业化，尤其是在能源、交通运输领域,和航空航天部门。AJ系统对于这些应用的新一代工具具有强大的潜力。

直接书写(DW)打印是一种增材制造技术，其中材料分层沉积以生产所需的特征。DW用于将功能电子电路、元件和传感器直接打印到柔性、低温和非平面表面上，无需任何特殊工具。通常CAD/CAM元素与包含所需材料的“墨水”的DW打印设备耦合，允许选择性图案。油墨通常由悬浮在液体载体中的一些功能材料组成，如纳米颗粒或聚合物。这种方法明显不同于传统的减材制造，后者使用大面积沉积、光刻化学品和有毒蚀刻剂去除材料以获得目标图案。

Optomec公司开发了气溶胶喷射(AJ)技术，并获得专利，用于精细材料沉积。通过气动或超声波方法产生细小墨滴的气溶胶，并以气流推进到基材上，如图1所示。AJ工艺利用一种创新的空气动力学聚焦技术，将这种充满材料的致密气溶胶雾状微滴准直成一束紧密控制的材料，该材料束可产生小至10μm或大至几厘米的特征。与移动打印头或基板的运动控制系统相结合，可以使用基于CAD的程序来创建高分辨率图案，以产生独特的特征以及广域共形涂层。市售气溶胶喷射打印头可通过优化来打印小于10μm的特征尺寸，并且能够沉积高粘度（高达1000cP）、高颗粒负载（大于70wt%）、宽粘度范围的油墨远远超出传统喷墨书写的范围。最先进的特征之一是非接触沉积，可以在台阶、曲面上打印轨迹，并在3D对象上共形打印，同时打印的对峙距离可达5mm。通过工艺优化，成功的沉积被证明可以达到10mm的对峙距离。

图1.气溶胶喷射技术的详细示意图，气溶胶油墨聚焦对峙距离超过5mm。（图由Optomec,Inc.提供)。

使用AJ系统，可以雾化各种功能材料。主要材料为导电、绝缘、电阻、介电和生物基墨水。导电油墨通常包括金属纳米颗粒(例如银、金、铜、镍、铂)或导电有机物(PEDOT：PSS和碳纳米管)。绝缘油墨可以包括溶解的聚合物、UV环氧树脂、粘合剂和热固性树脂。虽然大多数油墨需要一些后沉积热处理，但是AJ打印系统还配备有近红外激光，用于在温敏材料（Tm≤120°C）上原位烧结金属纳米颗粒油墨。Qi2采用Aerosol Jet的商业模式，该模式整合了内部项目和独特的研发服务，使拥有和没有AJ能力的客户都能受益于Qi2的工艺开发专业知识。本文简要介绍了AJ打印可以在3D和柔性基板上实现先进系统的概念。STRUCTURAL HEALTH MONITORING (SHM) -- 结构健康监测随着复杂性的增加和对零件寿命的要求的提高，军事和航空航天行业正在积极寻求在服役期间监控关键零件的方法，并提供更好的可靠性和性能结果。目前的方法要求在使用之间进行无损检测（NDI），但这还不够。通过将监控系统集成到零件中，无论形状或尺寸如何，关键结构都可以在不增加重量或显著成本的情况下进行现场监控。

金属结构（Metallic Structures）：Qi2的一个应用实施展示了将自给自足的监控系统（self-sufficient monitoring system）直接打印到F-15机翼部件的腹板上的实用性。通过直接将电路沉积在零件上，能够消除固定连接和在热点位置增加笨重的刚性材料。在该系统中，使用了允许持续无线评估的天线。打印机的气溶胶射流聚焦鞘气允许喷嘴保持在侧翼内，距离腹板平面10mm。下图2是飞机部件和装配的健康监测电路的图像。部件的涂层有几个表面缺陷，这要求首先对电介质材料进行图案化处理，以确保打印导电迹线的电气绝缘。离散的电气元件用导电的银环氧树脂连接。

图2.(左上)F-15部件,(左下)监控电路的沉积,(右)最终产品。Qi2开发的概念。

复合结构（Composite Structures）：复合材料为航空航天,体育用品,医疗和汽车行业提供了重大的结构进步。同样,需要不断了解它们在使用过程中的行为,以评估性能和失效机理。AJ提供了一种低温过程,可以应用于复杂的结构,以部分或全部嵌入传感器和电路。

在该项目中,一个SHM系统沉积在一个由6层缎面5H carbon/PPS复合结构制成的热成型翼肋上。该设计包括应变仪和高应力位置旁边的发射天线。为了在一次沉积中打印整个电路,复合肋的定向方式应确保两个图案接收侧相对于打印头保持45°倾斜,如图3所示。油墨和工艺条件允许2-10mm的可变间距。SPIE Smart Structures、Materials和SAMPE 2013 proceedings等会议论文中进行了进一步的描述。。

图3.（L）复合结构在CAD布局的辅助下通过夹具定向（插图）（R）打印电路和应变计。由Qi2开发的概念。

            应变计（Strain Gauges）：同样，AJ提供了一种实现简单和复杂形状的应变计(SG)的独特方法。通过沉积强力粘合剂绝缘树脂，可实现在平面，非平面和柔性表面上打印厚度小于2μm的应变计。

图4.(L)打印在不锈钢钢管上的应变计,(R)打印在铝板上的SG。

3D打印通过以更低的成本提供创新的制造技术，增材制造可以克服许多传统的设计限制。如熔融堆积成型(FDM打印)，其中通过以相对高的分辨率挤压热塑性材料层来创建3D部件。这些部件用于创建模型、原型和最终产品应用。

AJ提供了一个辅助工艺，进一步推进了这种方法的增材制造。例如，图5显示了一个3D打印盒子（由ABS塑料制成），它之前封装了一个传统的刚性电路板。取而代之的是，将电路直接打印到机箱内部，而无需中间处理。低温烧结纳米颗粒油墨的使用，允许烧结迹线在温度敏感ABS塑料（玻璃化转变温度为105°C）上达到25%的大块银导电率，而不会导致聚合物形状的任何降解。还展示了AJ打印如何以良好的分辨率与挤出的ABS珠层形成的纹理表面保持一致。非接触式沉积提供了微观表面纹理的坚固连接。

图5.（L）在3D打印的ABS件上打印电路（R）打印ABS表面的增强视图。

柔性电路典型的打印电路板(PCB)需要大而厚的导电迹线，通过通孔连接并在整个电路板上由刚性绝缘层隔开。AJ打印引入了一种资源节约型增材工艺，用于在几乎任何柔性基板上制造柔性电路。无掩模AJ打印系统允许快速制造多层电路和传感器。通过使用高导电油墨和细间距特征，电路也可以按比例缩小到低于传统几何形状。

AJ打印允许使用不能通过喷墨或丝网打印等工艺处理的各种油墨。对于多层电路，低粘度和高粘度材料都可以交替沉积，形成小型柔性互连。示例如图6所示，展示了多层制造步骤。所示部件将嵌入飞机组件上的SHM系统中。该电路需要承受相对较高的电压（约100V），这要求使用高性能材料以确保出色的导电性和介电强度。该构型利用银纳米颗粒和溶解的聚酰亚胺油墨。打印互连的电阻范围为0.1-5.0Ω。在模拟飞机结构中的条件，在盐腐蚀室中进行的>100小时的试验中，聚酰亚胺也被证明能有效保护银层免受任何化学侵蚀。

        

图6.AJ打印多层柔性电路的图像和最终安装到零件。

打印传感器通过增材制造技术制造的柔性和共形传感器通过增加传感器的多功能性并可能降低材料和制造成本提供了许多优势。在这里，我们展示了几种设计用于复合结构损伤检测的柔性传感器。传感器的成功高度依赖于墨水能力和专为AJ优化的打印工艺开发之间的协同作用。

例如，将损伤检测传感器喷射到复合材料和柔性表面上。传感器是通过在导电电极之间打印高压电聚合物（piezoelectric polymer）聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的，如图7所示。在机械压力下，PVDF层会产生与施加的压力成比例的电子信号。由于PVDF的居里温度低，因此顶部电极是用室温固化导电聚合物PEDOT:PSS制造的。

               图7.(Top)直写制造压力传感器的工艺草图，(Bottom left)玻璃上的传感器图示,(Bottom right)打印在Kapton箔上的PVDF传感器。

该技术还为制造不同材料和间距的叉指电极提供了一种有利的方法，适用于从医疗诊断到用于传感应用的电阻和电容波动的传感应用。图8中的叉指型水传感器由银(Ag)和铜(Cu)电极组成。电极用银和铜纳米粒子油墨打印。水传感器被集成为嵌入式传感器，以监测水对目标飞机部件的腐蚀。

图8.由Ag-Cu电极组成的叉指型水传感器（Ag-左，Cu-右）。

打印加热器（PRINTED HEATERS）将基于分形的加热元件沉积在玻璃/环氧（glass/epoxy）转子叶片的前缘上。AJ打印的独特对峙距离功能允许在变化的半径上直接制造。在沉积过程中，打印头保持静止，基板固定在运动控制的压板上。打印程序被设计为3D表面上的2D投影。为了符合弯曲的前缘部分，如图9所示，将图案分割成三个单独的打印件，要求零件对于每个步骤都具有不同的取向。然后对打印的加热器施加相对较低的电压以产生显著的热量。

图9.(L)加热器图案的颜色以示出串行打印段，(Top right)打印的顶部侧面和前缘，,(Bottom right) 打印加热器的热成像图。

打印探头和线圈（PRINTED PROBES AND COILS）聚焦气溶胶束为平面和非平面衬底上的细螺距线圈提供了无与伦比的沉积技术。创新的鞘层气体聚焦打印技术允许在不同的表面形貌上精确控制宽度小于10μm的精细特征。图10（左）图中显示了直径为1.4mm的管6上的周向线圈和共形线圈，用于制造微型线圈，用于制造具有清晰解析振荡的微型柔性磁探针。图10（右）显示了聚合物涂层纸上的传统RFID线圈。

图10.(L)位于一个硬币上方的直径1.4mm管子上的三通道、三轴共形探头,(R)纸上的RFID线圈。

总结Aerosol Jet(气溶胶喷射)打印工艺填补了许多新兴技术在墨水特性、间隔距离、成本和处理时间方面受限的空白。在本文中，我们介绍了Qi2使用Aerosol Jet作为将传感器和结构健康监测系统直接制造到柔性和3D表面等的首要技术的一些项目。独特的聚焦气溶胶流以1~10mm的间隔距离均匀地在基材上沉积特征。打印特征使用各种粘度的油墨，粘度范围从水(1cP)到超过机油(>1000cP)，这远远超出了大多数传统打印技术的范围。配置的系统非常适合快速原型制作、较短的产品开发周期和具有成本效益的小批量制造，打印设计和工艺开发通常可以在一两天内完成。

感谢这项工作的一部分得到了美国海军SBIR合同N68335-10-C-0155和美国空军SBIR合同FA8501-09-C-0029的部分支持。SBIR：美国小企业创新研究计划。

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