3D打印机

科学家们建立了新的低成本AJP 3D打印机,用于创建混合型电子产品

基于的研究人员德克萨斯大学埃尔帕索分校(UTEP)开发出一种能够制造混合动力电子设备的新型低成本气溶胶喷射印刷(AJP)系统。

这台3D打印机售价仅1.2万美元,它基于一个32位微控制器(MCU),这使得它可以与提供高级模式能力的外围设备连接。利用其灵活的功能,这台机器能够将电子墨水嵌入复杂的设计中,有可能使其成为在研究、原型制作和教育应用中制造电子产品更容易实现的方法。

科学家们使用了总计1.2万美元的部件来制造他们低成本的AJP 3D打印机。照片通过增材制造杂志。

使AJP更容易实现

数字运动控制系统代表了许多3D打印机的核心组件,不仅在AJP设置中,还包括FFF、材料喷射和片层压系统。本质上,该设备用于在打印过程中定位系统的工具头,FFF中低成本mcu的普及是实验室、创企空间和学术环境采用该技术的关键。

然而,传统上,可访问的运动控制系统通过低精度受到限制,使得它们在10-100μm范围内操作的AJP机器中不太有用。AJP MCU还需要提供广泛的多任务,以便创建商业标准电子产品,通常需要包含昂贵的蜂化硬件。

更重要的是,高性能的微控制器通常用专有软件构建,抑制业主为特定应用程序定制其机器的能力。在尝试使AJP更容易访问的情况下,UTEP科学家因此开发了更便宜的架构,以及支持的实时操作系统(RTOS),能够在移动上处理多个任务。

利用他们的AJP系统,该团队能够3D打印出一个温度敏感电阻。照片通过增材制造杂志。

AJP印刷预算

由于它的配置竞争激烈,团队选择了40美元Texas Instruments Cortex-M4F以MCU为基础,自行研制新机器。内置UART变送器和(I2C)电路接口,具备足够的能力控制打印机,同时使外围设备与运动控制系统同步。

MCU内置于自定义-AJP打印机中,其特征在于3轴电机平台,以及用于墨水雾化的继电器模块,机械快门和超声波雾化器。要提供高速处理能力的系统,那么该团队将使用FreeRTOS应用程序创建一个操作系统,该操作将其操作置于简单的任务,使其可管理和模块化。

当科学家们完善了他们的算法并组装好他们的系统后,他们用一种银墨水武装它,并制造出一系列对称的图案。在顺利通过初步测试后,研究人员继续评估他们的机器是否适合更苛刻的应用,方法是将导电银沉积到“蛇形”电阻中。

最后,UTEP团队使用导电NP油墨制作了他们大学的标志(见图)。图片来自《添加剂制造杂志》。

最终的探测器具有温度传感功能,并证明能够在加热和冷却评估期间提供准确的读出。然而,尽管该团队的机器能够实现50µm的打印分辨率,他们的一些更复杂的测试对象显示出油墨扩散,他们推测这可以通过添加一个加热床来纠正,以更好地控制沉积速率。

科学家们的AJP打印机的步进速度也比低成本的FFF系统快,但仍然比许多高端打印机慢。为了解决这个问题,该团队建议他们的方法可以通过升级他们的算法来进一步优化,并在关键时间的部件(如机器的快门)中确定特定的改进机会。

在不久的将来,工程师们还打算通过网络公开他们低成本的AJP 3D打印机的精确规格GitHub,目的是使其电子3D打印能力可用于尽可能多的用户。与此同时,可以在下面找到自定义系统的简要分解。

规格 细节
打印分辨率 50微米 墨水/参数依赖
打印速度 20毫米/秒 在~0.5µm步长
脉冲重复频率 30 kHz. 每轴XY是双向的
插值 线性 在未来的发展中寻找
安全特性 紧急按钮 软/受控中止
支持的文件 RS-274 GCODE 自定义M代码实现
自定义单片机指令 偏置编程可能
反馈数据 电机位置,MFC压力 用户配置数据速率

美国的电子应用

在AJP期间,它基本上可以将导电墨水喷射到2D或3D表面上,使其成为生产PCB和消费电子设备的理想选择。

Albuquerque-basedOptomec在这方面有点擅长,最近推出其气溶胶喷射HD2 3D打印机该公司是专门为制作5G电路板而设计的。在其他地方,该公司的技术也已被安装三星电子作为加快其电子产品生产过程的一种手段。

在一个更实验性的笔记上,研究人员卡内基·梅隆大学已获授予195万美元促进新阶级AJP 3D印刷神经探针。通过他们的项目,团队旨在创造一种生产脑植入物的低成本可重复的方法,具有神经系统监测能力。

同样,科学家来自格鲁吉亚理工学院汉阳大学写了一部小说AJP 3D印刷血液监测生物传感器。这种可伸缩电子系统的特点是无电路和低调的设计,这使得它可以作为一种识别脑动脉瘤治疗方法。

研究人员的研究结果详细发表在他们题为《模块化运动控制软件开发,以支持印刷电子产品的多功能、低成本气溶胶喷射平台。德克萨斯大学埃尔帕索分校的亚历杭德罗·马丁内斯-阿科斯塔、丽贝卡·r·塔佛亚、斯特拉·a·奎诺内斯和伊森·b·塞科尔共同撰写了这项研究,桑迪亚国家实验室爱荷华州立大学

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特色图片显示了研究人员的AJP 3D打印机的低成本组件。照片通过增材制造杂志。