I ricercatori dell’Università del Texas a El Paso (UTEP) hanno sviluppato un nuovo sistema AJP (Aerosol Jet Printing) a basso costo in grado di fabbricare dispositivi elettronici ibridi.

GLI SCIENZIATI COSTRUISCONO UNA NUOVA STAMPANTE 3D AJP A BASSO COSTO PER LA CREAZIONE DI ELETTRONICA IBRIDA

Con un costo di soli $ 12.000, la stampante 3D degli scienziati si basa su un microcontrollore a 32 bit (MCU), che le consente di connettersi con periferiche che le conferiscono funzionalità di patterning avanzate. Utilizzando la sua funzionalità flessibile, la macchina è in grado di depositare inchiostri elettronici in progetti complessi, rendendola potenzialmente un metodo più accessibile di fabbricazione di elettronica nell’ambito di applicazioni di ricerca, prototipazione e didattica.

I sistemi di controllo del movimento digitale rappresentano un componente fondamentale di molte stampanti 3D, non solo nelle configurazioni AJP, ma anche nei sistemi FFF, material jetting e laminazione dei fogli. Essenzialmente, i dispositivi vengono utilizzati per orientare le teste degli strumenti di un sistema durante la stampa e la prevalenza di MCU a basso costo all’interno di FFF è stata la chiave per l’adozione della tecnologia all’interno di laboratori, spazi di produzione e ambienti accademici.

Tuttavia, i sistemi di controllo del movimento accessibili sono stati tradizionalmente limitati dalla bassa precisione, rendendoli meno utili nelle macchine AJP che operano nella gamma 10-100 µm. Gli MCU AJP devono anche essere in grado di eseguire un multi-tasking estensivo per creare elettronica standard commerciale, che spesso richiede l’inclusione di hardware rinforzato costoso.

Inoltre, i microcontrollori ad alte prestazioni sono spesso costruiti con software proprietario, inibendo la capacità dei proprietari di personalizzare le proprie macchine per applicazioni specifiche. Nel tentativo di rendere AJP più accessibile, gli scienziati di UTEP hanno quindi sviluppato un’architettura più economica, insieme a un sistema operativo in tempo reale (RTOS) di supporto, in grado di gestire più attività in movimento.

A causa delle sue specifiche competitive, il team ha scelto di utilizzare un MCU Texas Instruments Cortex-M4F da $ 40 , come base per la loro nuova macchina. Dotato di un trasmettitore UART integrato e di interfacce di circuito (I2C), il microcontrollore possedeva una capacità sufficiente per controllare la stampante, sincronizzando contemporaneamente le periferiche con il suo sistema di controllo del movimento.

L’MCU è stato integrato in una stampante AJP personalizzata, caratterizzata da una piattaforma motore a 3 assi, oltre a un modulo relè, otturatore meccanico e nebulizzatore a ultrasuoni per l’atomizzazione dell’inchiostro. Per fornire al proprio sistema capacità di elaborazione ad alta velocità, il team ha quindi utilizzato l’ applicazione FreeRTOS per creare un sistema operativo che suddividesse le sue operazioni in attività semplici, rendendole gestibili e modulari.

Una volta che gli scienziati hanno perfezionato il loro algoritmo e assemblato il loro sistema, lo hanno armato con un inchiostro d’argento e hanno fabbricato una serie di modelli simmetrici. Dopo aver superato i test iniziali a pieni voti, i ricercatori hanno continuato a valutare l’idoneità della loro macchina per applicazioni più impegnative, depositando argento conduttivo in un resistore “a serpentina”.

Il team UTEP ha concluso fabbricando il logo della propria università utilizzando inchiostri NP conduttivi (nella foto). Immagini tramite la rivista Additive Manufacturing.
Il rilevatore risultante presentava funzionalità di rilevamento della temperatura e si è dimostrato in grado di fornire una lettura esatta, sia durante le valutazioni di riscaldamento che di raffreddamento. Tuttavia, mentre la macchina del team è stata in grado di raggiungere una risoluzione di stampa di 50 µm, alcuni dei loro oggetti di prova più complessi hanno mostrato una diffusione dell’inchiostro e hanno ipotizzato che questo potesse essere corretto aggiungendo un letto riscaldato, per un maggiore controllo sui tassi di deposizione.

La velocità di passo della macchina AJP degli scienziati era anche più veloce di quella dei sistemi FFF a basso costo, ma è rimasta più lenta di molte stampanti di fascia alta. Per correggere questo problema, il team ha suggerito che il loro approccio può essere ulteriormente ottimizzato tramite aggiornamenti al loro algoritmo e ha identificato particolari opportunità di miglioramento all’interno di parti critiche in termini di tempo come l’otturatore della macchina.

Nel prossimo futuro, gli ingegneri intendono anche rendere le specifiche precise della loro stampante 3D AJP a basso costo apertamente disponibili tramite GitHub , con l’obiettivo di rendere le sue funzionalità di stampa 3D elettronica disponibili al maggior numero possibile di utenti. Nel frattempo, di seguito è possibile trovare una breve ripartizione del sistema personalizzato.

 Specifica   Dettagli

Risoluzione di stampa 50 µm Inchiostro / parametro dipendente
Velocità di stampa 20 mm / s Con una dimensione del passo di ~ 0,5 µm
Pulsazioni 30 kHz Per asse, XY bidirezionale
Interpolazione Lineare Guardare avanti nello sviluppo futuro
Caratteristiche di sicurezza Bottone di emergenza Interruzione graduale / controllata
File supportati Codice G RS-274 Codici M personalizzati implementati
Comandi MCU personalizzati Possibili percorsi utensile programmatici
Dati di feedback Posizione motore, pressione MFC Velocità dati configurata dall’utente
Le applicazioni elettroniche di AJP

Durante l’AJP, è essenzialmente possibile spruzzare inchiostri conduttivi su superfici 2D o 3D, rendendolo ideale per la produzione di PCB e dispositivi elettronici di consumo.

Optomec, con sede ad Albuquerque, è in qualche modo uno specialista in questo settore e ha recentemente lanciato la sua stampante 3D Aerosol Jet HD2 , progettata specificamente per creare circuiti stampati 5G. Altrove, la tecnologia dell’azienda è stata installata anche da Samsung Electronics , come mezzo per accelerare il processo di produzione dell’elettronica.

Su una nota più sperimentale, i ricercatori della Carnegie Mellon University hanno ricevuto 1,95 milioni di dollari per sviluppare una nuova classe di sonde neurali stampate in 3D AJP . Attraverso il loro progetto, il team mira a creare un metodo ripetibile a basso costo per la produzione di impianti cerebrali, con capacità di monitoraggio neurologico.

Allo stesso modo, gli scienziati del Georgia Institute of Technology e della Hanyang University hanno sviluppato un nuovo biosensore per il monitoraggio del sangue stampato in 3D AJP . Il sistema elettronico estensibile presenta un design senza circuiti e di basso profilo, che ne consente l’utilizzo come mezzo per identificare i trattamenti per l’aneurisma cerebrale.

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato “ Sviluppo di software di controllo del movimento modulare per supportare una piattaforma di getto aerosol versatile ea basso costo per l’elettronica stampata . “Lo studio è stato co-autore di Alejandro Martinez-Acosta, Rebecca R. Tafoya, Stella A. Quinones ed Ethan B. Secor dell’Università del Texas a El Paso, Sandia National Laboratories e Iowa State University .

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