ساخت قطعه الکترونیک قابل پوشیدن با hybrid 3D printing

در تاریخ 1396-07-03 منتشر گردیده

6 سپتامبر 2017


موسسه Wyss در دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده در تکنولوژی جدید " hybrid 3D printing " برای نرم افزاری الکترونیکی مشارکت کرده اند. این روش می تواند برای ساخت وسایل الکترونیکی پوشیدنی استفاده شود.
الکترونیک پوشیدنی با نام های تجاری مانند ساعت اپل، مورد علاقه همه نیستند ، اما هیچ تردیدی وجود ندارد که الکترونیک نرم افزاری نقش مهمی در نوآوری های فناوری آینده ایفا کند، به ویژه در زمینه های ورزشی و تحلیل عملکرد انسان.
همکاری جدیدی بین موسسه ویس در دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده می تواند در مورد الکترونیک پوشیدنی در سطح بالاتری قرار گیرد ، این دو موسسه یک تکنیک additive manufacturing را برای الکترونیک نرم افزاری به نام " hybrid 3D printing " ایجاد می کنند .
پتانسیل فرآیند جدید می تواند عظیم باشد. به گفته محققان، چاپ هیبرید 3D، جوهرهای نرم، جوشکاری الکتریکی و مواد ماتریکس ,اجزای سازنده قطعات الکترونیکی سخت را به یک دستگاه کشش پذیر تبدیل کرده است .
سنسورهای الکترونیکی می توانند به صورت مستقیم بر روی مواد نرم چاپ شوند، همچنین در حالی که این فرایند می تواند قطعات الکترونیکی دیجیتالی را منتاژ کند می تواند اتصالات رسانا را که مدار الکترونیکی لازم برای خواندن اطلاعات سنسور را تکمیل می کن را چاپ کند .


مهمتر از همه، این روش می تواند زمان و هزینه تولید را به طور قابل توجهی کاهش دهد و می تواند دستگاه های قویتری را ایجاد کند.
" Alex Valentine یکی از مهندسین  موسسه wyss می گوید: سنسورهای الکترونیکی می توانند به صورت مستقیم بر روی مواد نرم چاپ شوند، همچنین در حالی که این فرایند می تواند قطعات الکترونیکی دیجیتالی منتاژ کند , می تواند اتصالات رسانا را که مدار الکترونیکی لازم برای خواندن اطلاعات سنسور را تکمیل می کن را چاپ کند.
در طول فرایند چاپ جدید 3D، یک جوهر رسانای کششی ساخته شده از پلی اورتان ترموپلاستیک (TPU) که مخلوط با دانه های نقره است , بر روی یک بستر TPU به صورت 3d چاپ شده و به همین منظور ، کنترل کامل فراهم می کند تا درهر جایی ویژگی های رسانا الگو شده وامکان ساخت مدار الکترونیکی نرم تقریبا درهر اندازه و شکل وجود داشته باشد .


Valentine توضیح می دهد: "از آنجا که هر دو زیرلایه و الکترودها,  حاوی TPU هستند، زمانی که آنها به صورت لایه ای با هم چاپ می شوند  قبل از خشک شدن به یکدیگر متصل می شوند."پس از تبخیر حلال، هر دو جوهر جامد، تشکیل یک سیستم یکپارچه میدهد که هر دو انعطاف پذیر و قابل کشش هستند ."
تراشه میکروکنترلر برنامه ریزی و دستگاه بازخوانی (برای تفسیر داده های سنسور به طریقی که انسان می تواند درک کند) در یک سنسور نرم با استفاده از تکنولوژی pick-and-place که از طریق چاپ خالی نازل خلا ایجاد می کند , یکپارچه شده اند .
این نازل خلاء ,  که از طریق آن جوهر معمولا تخلیه می شود، می تواند برنامه ریزی شود تا اجزای الکترونیکی را بر روی سطح زیر لایه به روش دقیق قرار دهد .


محققان یک روش هوشمندانه برای اطمینان از این که این قطعات الکترونیکی سفت و سخت با دستگاه قابل کشش سازگار می مانند یافته اند : یک نقطه از جوهر TPU در زیر هر یک از اجزا قبل از وصل کردن آن به بستر TPU قرار داده شده. این نقطه TPU هنگامی که خشک می شود، لنگر اجزای سفت و محکم استرس را در سراسر ماتریس توزیع می کند. این به این معنی است که دستگاه ها می توانندتا 30 درصد کشش داشته باشند در حالی که هنوز عملکرد خود را حفظ می کنند.


یکی از سنسورهای فشار، ساخته شده توسط چاپ جوهر نقره ای TPU الکترود بر روی پایه نساجی و استفاده از یک تراشه میکروکنترلر و خواندن LED با تکنولوژی pick-and-place ساخته شده است. نتیجه یک آستین قابل پوشیدن است که می تواند دقیقا اندازه گیری کند که بازوی پوشیده شده چه اندازه خم می شودو نتایج از طریق صفحه LED نمایش داده می شود. این دستگاه پوشیدنی می تواند برای تحلیل تکنیک پرتاب ورزشکار مورد استفاده قرار گیرد.
دستگاه دیگر، یک سنسور فشار به شکل پای چپ یک فرد ، که از طریق "چاپ لایه متناوب الکترودهای نقره ای TPU و عایق TPU برای ایجاد خازن های الکتریکی بر روی یک زیر لایه نرم TPU ساخته شده است. "الگوهای تغییر شکل در دستگاه هنگامی که کاربر بر روی سنسور حرکت می کند، در یک " نقشه حرارت" تجسم می یابد.


The researchers—Alexander D. Valentine, Travis A. Busbee, John William Boley, Jordan R. Raney, Alex Chortos, Arda Kotikian, John Daniel Berrigan, Michael F. Durstock, and Jennifer A. Lewis
یافته های خود را در مجله Advanced Materials منتشر کرده اند، در مقاله ای تحت عنوان "Printing Hybrid 3D Soft Electronics". 


Lewis ، یکی از محققان شرکت کننده در این پروژه، فکر پشت چاپگر(Voxel8 Developer’s Kit 3D printer )در جهت ساخت لوازم الکترونیکی قابل تنظیم، پوشیدنی ارزان قیمت و مکانیکی است.