Un micro

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3914 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Combinant fluidité liquide et conductivité métallique, les alliages gallium-indium (Ga-In) font sensation dans des domaines tels que les circuits électroniques extensibles et les dispositifs médicaux portables. En raison de sa grande flexibilité, l'impression par écriture directe à l'encre est déjà largement utilisée pour l'impression des alliages Ga–In. Actuellement, l'extrusion pneumatique est la principale méthode d'impression directe par écriture à l'encre, mais la peau d'oxyde et la faible viscosité des alliages Ga-In rendent difficile le contrôle après l'extrusion. Ce travail a proposé une méthode d'impression directe par écriture à l'encre d'alliages Ga-In utilisant une extrusion pilotée par micro-vibration. La micro-vibration réduit la tension superficielle des gouttelettes d'alliage Ga-In et évite l'apparition de gouttelettes aléatoires lors de l'impression. Sous micro-vibration, la pointe de la buse perce la peau d'oxyde pour former de petites gouttelettes qui ont une grande aptitude au moulage. Le processus de croissance des gouttelettes est considérablement ralenti en optimisant les paramètres de micro-vibration appropriés. Par conséquent, les gouttelettes d'alliage Ga-In à haute moulabilité peuvent être maintenues au niveau de la buse pendant une longue période, ce qui améliore l'imprimabilité. De plus, de meilleurs résultats d'impression ont été obtenus avec des micro-vibrations en choisissant la bonne hauteur de buse et la bonne vitesse d'impression. Les résultats expérimentaux ont démontré la supériorité de la méthode en termes de contrôle de l'extrusion des alliages Ga–In. Avec cette méthode, l'imprimabilité des métaux liquides est améliorée.

Les alliages à base de gallium, qui sont des métaux liquides à bas point de fusion, sont couramment utilisés dans l'électronique flexible1,2, la synthèse de matériaux3,4, l'électronique extensible5,6, les capteurs7,8 et d'autres domaines en raison de leurs propriétés physiques uniques. Les capacités de moulage des alliages Ga-In sont améliorées en combinant la technologie d'impression 3D. Cependant, les alliages Ga-In s'oxydent rapidement à l'air pour former une peau d'oxyde naturelle qui est un matériau viscoélastique9. La peau d'oxyde domine les propriétés rhéologiques et réduit la tension de surface10, ce qui est la clé de l'impression des alliages Ga-In11. Dans le processus d'impression 3D d'alliages Ga-In par extrusion pneumatique, la peau d'oxyde provoque de grosses gouttelettes d'alliage Ga-In au niveau de la buse, ce qui diminue la moulabilité12. Ensuite, le processus d'extrusion est difficile à maîtriser. La difficulté de contrôler l'extrusion fait que les alliages Ga-In génèrent des gouttelettes de taille aléatoire pendant le processus d'impression. Ces gouttelettes de taille aléatoire affecteront les exigences de résolution13,14 et de conductivité15 de la structure imprimée. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont proposé des méthodes pour éviter la création de gouttelettes de taille aléatoire. Trois méthodes sont adoptées pour assister l'extrusion pneumatique des métaux liquides.

L'impression est réalisée en cassant la peau d'oxyde par une force extérieure. Cook et al.16 ont proposé que les gouttelettes soient extrudées mais non lâchées en contrôlant précisément la pression d'extrusion, et que la force de cisaillement entre les gouttelettes et le substrat soit utilisée pour faire adhérer les métaux liquides au substrat. Ladd et al.17 ont rompu la peau d'oxyde par force de traction pour former des fils de métal liquide autonomes. Cependant, la méthode de destruction de la peau d'oxyde par une force externe impose généralement des exigences plus élevées pour le processus d'impression, telles qu'un contrôle précis de la hauteur de la buse. Les caractéristiques rhéologiques des métaux liquides ont été modifiées en combinant des matériaux métalliques ou non métalliques, permettant au métal liquide de conserver sa forme même après extrusion. Wu et al.14 ont proposé une encre microgel liquide en mélangeant du microgel d'alginate de sodium, ce qui a réduit l'énorme tension superficielle et amélioré les performances d'adhérence. Chan et al.13 ont proposé une pâte de métal liquide recyclable et réversible en associant des particules de SiO2, ce qui améliorait les propriétés d'adhésion des métaux liquides. Selon Daalkhaijav et al.18, l'ajout de matériaux conducteurs en nano- ou micro-nickel aux métaux liquides améliorerait leur module d'élasticité et leur limite d'élasticité, et permettrait l'impression 3D. Le problème du contrôle précis du métal liquide extrudé peut être efficacement résolu en ajoutant d'autres matériaux, mais l'application est également limitée par les matériaux ajoutés. L'impression par co-extrusion coaxiale a été atteinte en repensant la structure mécanique de la buse. Pour obtenir un flux de métal liquide continu et stable, Khondoke et al.19 ont développé une buse de co-extrusion coaxiale qui pouvait envelopper le métal liquide dans un élastomère thermoplastique et l'extruder ensemble. Wu et al.20 ont suggéré une buse coaxiale avec l'extension de buse interne pour envelopper et extruder le métal liquide de manière constante et efficace, ce qui pourrait acquérir une impression de métal liquide multi-résolution. Mais la structure 3D ne peut pas être imprimée en empilant des gouttelettes de métal liquide avec cette méthode. Le procédé ci-dessus résout partiellement le problème de la peau d'oxyde dans le procédé d'impression au métal liquide, mais le procédé d'impression, les matériaux ou les structures formées au métal liquide sont limités dans une certaine mesure. Afin de réduire l'influence de la peau d'oxyde sur les résultats d'impression sans limiter le matériau ou le procédé, nous avons proposé une méthode d'impression 3D pilotant les micro-vibrations pour l'extrusion de métal liquide. En utilisant cette méthode, la peau d'oxyde de la gouttelette est brisée lorsque la gouttelette ne se dilate pas à une taille suffisante. Cette méthode évitera efficacement l'apparition de gouttelettes aléatoires dans la structure d'impression.

Ici, une méthode d'extrusion d'alliages Ga-In pilotée par micro-vibration est proposée pour réaliser l'impression. La tension superficielle a été réduite sous vibration selon la mesure de la tension superficielle des gouttelettes d'alliage Ga-In. La moulabilité des gouttelettes d'alliage Ga-In a été augmentée sous vibration. La vitesse d'extrusion des gouttelettes peut être contrôlée à la valeur souhaitée en sélectionnant des paramètres de vibration appropriés. Ainsi, des gouttelettes avec une aptitude au moulage élevée peuvent être maintenues dans la buse pendant le temps souhaité. Les grosses gouttelettes aléatoires dans la piste d'impression sont évitées sans la limitation des matériaux et du processus d'impression.

Le gallium-indium eutectique (EGaIn) (% 75 Ga,% 25 In) a été choisi comme matériau métallique liquide. Le gallium et l'indium ont été pesés dans un rapport de 3:1 à une concentration de 99,99 % chacun. Le gallium a été acheté auprès d'East Hope Group Co., Ltd. L'indium a été acheté auprès de Zhuzhou Smelting Group Co., Ltd. Les propriétés physiques de l'EGaIn sont présentées dans le tableau 1. Les propriétés des gouttelettes d'EGaIn extrudées sous micro-vibration déterminent directement la qualité d'impression. Ainsi, la recherche expérimentale sur la tension superficielle, la moulabilité, le temps de séjour des gouttelettes et la vitesse d'extrusion des gouttelettes a été réalisée. Les expériences d'impression EGaIn sous micro-vibration ont également été menées pour analyser l'influence de la hauteur de la buse et de la vitesse d'impression sur les résultats d'impression. Enfin, un capteur flexible a été fabriqué en utilisant la méthode d'impression 3D de métal liquide par extrusion par micro-vibration.

Comme le montre la figure 1a, l'EGaIn est extrudé de la buse et est rapidement oxydé pour former une structure noyau-coquille dans l'air. La peau d'oxyde amène l'EGaIn à former une goutte au niveau de la buse. Les figures 1b et c montrent le processus de destruction de la peau d'oxyde avec la méthode pilotée par micro-vibration. Sous la force de vibration, la buse découpe la peau d'oxyde à proximité, faisant tomber la gouttelette à l'avance lorsque la peau d'oxyde n'atteint pas la limite de limite d'élasticité. Ainsi, la vitesse d'extrusion et l'aptitude au moulage souhaitées peuvent être obtenues en sélectionnant des paramètres de vibration appropriés.

Principe des micro-vibrations perçant la peau d'oxyde. (a) EGaIn forme une structure noyau-coquille dans l'air. (b, c) Les micro-vibrations provoquent la rupture de la peau d'oxyde.

L'équipement expérimental se compose d'un mécanisme de micro-vibration, d'une caméra à grande vitesse et d'une imprimante 3D, comme illustré à la Fig. 2a. L'état de l'EGaIn extrudé a été enregistré par une caméra à grande vitesse. La caméra haute vitesse comprend le microscope d'analyse de mouvement VW-6000E et l'unité de zoom macro longue distance VW-Z2 de KEYENCE. Une imprimante 3D Anet A8-Plus a été choisie comme mécanisme de contrôle de mouvement. Le système d'alimentation du matériau d'impression de l'imprimante 3D d'origine a été retiré et le mécanisme de micro-vibration a été assemblé sur la position. La figure 2d montre le mécanisme de micro-vibration, qui est composé d'une plate-forme de micro-déplacement, d'un actionneur en céramique piézoélectrique et d'une pince d'expansion de coin. La plate-forme de micro-déplacement est illustrée à la Fig. 2c. Un actionneur céramique piézoélectrique a été fixé sur la plate-forme pour entraîner la table de travail. Le contrôleur piézoélectrique E00.D3 a été utilisé pour contrôler les actionneurs piézoélectriques préchargés en colonne basse tension (PSt150/7/20) de Harbin Core Tomorrow Technology Co., Ltd. en Chine. La pince d'expansion de coin a été fixée sur la table de travail et la seringue a été serrée sur la pince d'expansion de coin. La buse de la seringue mesure 0,5 pouce de long et 0,2 mm de diamètre intérieur. La base reliait le mécanisme de micro-vibration et l'imprimante 3D. La figure 2b montre la relation entre la tension de la céramique piézoélectrique et le déplacement de sortie de la table de travail du mécanisme conforme. La tension d'entraînement CC est passée de 10 à 100 V à un intervalle de 10 V. Le déplacement de la table de travail du mécanisme conforme a été mesuré par le micromètre LVDT de Harbin Core Tomorrow. Dans l'impression 3D par extrusion par micro-vibration pour EGaIn, le signal d'excitation sinusoïdale \(V={V}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft\right)\) a été appliqué au pilote céramique piézoélectrique, où \({V}_{0}\) est l'amplitude de la tension, \(f\) est la fréquence. Le déplacement de sortie de la table de travail est \(X={X}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft+\varphi \right)\), où \({X}_{0}\) est l'amplitude, \(f\) est la fréquence de vibration et \(\varphi\) est l'angle de phase. La courbe de la figure 2b propose la relation entre \({X}_{0}\) et \({V}_{0}\).

Matériel expérimental. (a) Composition du système expérimental. (b) La relation entre la tension et le déplacement de sortie. (c) Plate-forme de micro-déplacement. (d) Mécanisme de micro-vibrations.

Une gouttelette d'EGaIn est suspendue dans l'air pour l'équilibre de la gravitation et de la tension superficielle. Le rapport sans dimension des forces gravitationnelles et de tension superficielle est défini par la relation21

où, \(Bo\) désigne le nombre de liaison, \(\Delta \rho\) est la différence de densité entre le liquide et le fluide environnant, \(\mathrm{g}\) est la constante gravitationnelle de la Terre, \(\sigma\) est la tension superficielle et R est le rayon de courbure au sommet de la goutte.

Afin d'exprimer clairement la tension superficielle, Eq. (1) peut être réécrit comme

Dans l'éq. (2), \(\Delta \rho\) et \(\mathrm{g}\) sont connus. Si le nombre de liaison \(Bo\) et le rayon de chute R au sommet sont déterminés, la tension superficielle \(\sigma\) peut être obtenue.

\(Bo\) et R peuvent être déterminés en faisant correspondre le profil de goutte mesuré à un contour de goutte théorique calculé selon l'équation de Young-Laplace dans le logiciel open source OpenDrop22. Le processus est illustré à la Fig. 3. À la Fig. 3a, la caméra haute vitesse enregistre le changement des gouttelettes à une fréquence d'images de 60 ips. Les images expérimentales de la caméra à grande vitesse sont chargées dans le logiciel OpenDrop. La densité EGaIn, la densité de l'air et le diamètre extérieur de la buse sont importés dans OpenDrop et les profils de gouttelettes sont extraits. \(Bo\) et R sont obtenus en minimisant la somme des carrés des résidus du profil théorique de la goutte pendante et des données expérimentales, comme illustré à la Fig. 3b. Et la tension superficielle \(\sigma\) est calculée par Eq. (2).

Processus d'acquisition de la propriété de la gouttelette EGaIn (a) Extraction de l'image de la gouttelette EGaIn. ( b ) Analyse de la propriété des gouttelettes d'EGaIn.

La capacité d'EGaIn à maintenir une microstructure stable dans sa peau d'oxyde à température ambiante est appelée moulabilité12. La surface de la gouttelette est notée A et le volume de la gouttelette est noté V. La moulabilité augmente avec les rapports A/V23. Par conséquent, la loi de modification de la moulabilité peut être reflétée par la loi de modification de A/V.

La solution Young-Laplace ajustée peut également être utilisée pour donner des données supplémentaires, telles que le volume V et la surface A24

où, la barre indique des quantités sans dimension, \(r\) est les coordonnées de la colonne, \(\varphi\) est l'angle de tangente, \(s\) est la longueur de l'arc. Pour comparer la moulabilité des gouttelettes, 25 images sont interceptées au fur et à mesure que la gouttelette grossit et calcule la moulabilité. Le volume V et la surface A de la goutte sont obtenus par Eq. (3). Le rapport A/V est obtenu à partir de l'Eq. (4).

La vitesse d'extrusion de l'EGaIn a également un impact sur les résultats d'impression. Lorsque la vitesse d'extrusion est faible, l'EGaIn n'est pas suffisamment extrudé, ce qui entraîne un étirement ou une fracture de la structure imprimée. Lorsque la vitesse d'extrusion est élevée, les traces d'impression peuvent présenter des renflements ou former des gouttelettes. Il est donc nécessaire d'étudier l'effet des micro-vibrations sur la vitesse d'extrusion d'EGaIn. La vitesse d'extrusion moyenne peut être calculée par Eq. (5),

où, \(\overline{v }\) est la vitesse d'extrusion moyenne, t est le temps d'extrusion, w est le poids d'EGaIn extrudé en t temps.

Le processus expérimental spécifique est le suivant,

La plage d'amplitude de tension est de 10 à 100 V à des intervalles de 10 V. L'amplitude de tension est initialement sélectionnée à 10 V, répétez l'étape (2) pour différentes amplitudes de tension.

La fréquence de vibration est sélectionnée entre 100 et 600 Hz à des intervalles de 100 Hz, répétez les étapes (3) à (8) pour différentes fréquences de vibration.

La seringue est initialement remplie de 50 g d'EGaIn.

La pré-extrusion est effectuée sous micro-vibration jusqu'à ce que l'EGaIn puisse être extrudé en douceur.

Le processus d'extrusion d'EGaIn est enregistré par une caméra à grande vitesse. Le processus d'extrusion dure 20 s et le poids de l'EGaIn extrudé est mesuré.

La vitesse d'extrusion moyenne peut être calculée par Eq. (5).

Une fois que 2 g d'EGaln ont été extrudés, répétez les étapes (5) à (7).

L'EGaIn dans la seringue diminue progressivement jusqu'à ce que l'EGaIn ne puisse plus être extrudé. L'expérimentation est terminée.

En plus de la propriété des gouttelettes d'EGaIn affectant le résultat d'impression, la vitesse d'impression et la hauteur de la buse ont également un impact important sur le résultat d'impression. Sélectionnez 80 V et 400 Hz comme paramètres de vibration selon les résultats de l'expérience des propriétés des gouttelettes. La hauteur de la buse à partir du substrat a progressivement augmenté de 0,03 à 0,08 mm, et la qualité d'impression a été observée. Sélectionnez la hauteur de buse appropriée de 0,05 mm, réglez la vitesse d'impression de 0,5 à 2,5 mm/s et analysez les résultats d'impression.

Basé sur la méthode d'impression par micro-vibration, le capteur flexible du coude a été créé. Le processus d'impression est représenté sur la figure 4a. Le matériau de base du capteur flexible est le gel de silice Ecoflex. La construction et les dimensions du capteur sont illustrées à la Fig. 4b. Après l'impression 3D, la piste EGaIn a été emballée avec du gel de silice, comme le montre la figure 4c. Et l'affichage du multimètre de haute précision montre que le capteur a une bonne conductivité. Le port est représenté sur la figure 4d.

Application d'impression par micro-vibration. (a) Processus d'impression pour la structure du capteur. (b) Taille de la structure du capteur. (c) Affichage de la conductivité du capteur (d) Port du capteur coudé.

Chaque courbe des figures 5a et b représente la tendance de la tension superficielle des gouttelettes d'EGaIn lors de l'extrusion d'une gouttelette individuelle. La figure 5a montre que le temps d'extrusion d'une seule gouttelette diminue progressivement à mesure que l'amplitude de vibration augmente. Et à différentes amplitudes de vibration, la tension superficielle des gouttelettes tend à se stabiliser. La tension superficielle des gouttelettes diminue progressivement à mesure que l'amplitude des vibrations augmente. Lorsque l'amplitude de vibration est faible, telle que 2,625 µm et 3,625 µm, l'effet sur la tension superficielle n'est pas évident. Les gouttelettes ont toujours une tension superficielle élevée d'environ 600 mN/m. La tension superficielle plus élevée provoque la formation de gouttelettes d'EGaIn pendant le processus d'impression, ce qui affecte la qualité d'impression. Lorsque l'amplitude de vibration est grande, la tension superficielle des gouttelettes diminue de manière significative. Lorsque l'amplitude de vibration est de 9,65 µm, la tension superficielle des gouttelettes est d'environ 350 mN/m. Ainsi, la pointe de buse peut percer la peau d'oxyde plus facilement lorsque l'amplitude de vibration est plus grande. La figure 5b indique que le temps d'extrusion d'une gouttelette individuelle diminue à mesure que la fréquence de vibration augmente. Cela signifie que l'augmentation de la fréquence de vibration peut aider la pointe de la buse à percer la peau d'oxyde. La tension superficielle des gouttelettes diminue progressivement à mesure que la fréquence de vibration augmente. La tension superficielle à 500 Hz et 600 Hz de fréquence de vibration est d'environ 330 mN/m et 240 mN/m.

Tension superficielle et moulabilité. (a) Influence de l'amplitude de vibration sur la tension superficielle des gouttelettes. (b) Influence de la fréquence de vibration sur la tension superficielle des gouttelettes. (c) Influence de l'amplitude de vibration sur la moulabilité des gouttelettes. (d) Influence de la fréquence de vibration sur la moulabilité des gouttelettes. Dans l'expérience, le poids de l'EGaIn dans la seringue est de 50 g.

La moulabilité est discutée en discutant de la règle de changement de A/V parce que la tendance de changement de la moulabilité est cohérente avec celle de A/V. La figure 5c montre que la moulabilité de la gouttelette globale augmente à mesure que l'amplitude de vibration augmente au cours du processus de la gouttelette individuelle devenant plus grande. Lorsque l'amplitude de vibration est de 2,625 µm, 4,7 µm et 9,6 µm, l'A/V varie dans les plages de [2,56–6,73], [2,64–7,84] et [3,06–9,25], respectivement. Par conséquent, l'EGaIn a une plus grande aptitude au moulage à des amplitudes de vibration plus élevées. Mais le temps d'extrusion des gouttelettes individuelles est court à une amplitude de vibration plus élevée. Une amplitude de vibration appropriée doit être choisie afin que les gouttelettes à haute moulabilité aient un long temps de séjour à la pointe de la buse. Par conséquent, une amplitude de vibration de 7,05 µm a été choisie pour les expériences d'impression ultérieures. L'amplitude de tension sinusoïdale d'entrée correspondant à l'amplitude de 7,05 µm est de 80 V. La figure 5d montre qu'à mesure que la fréquence de vibration augmente, la moulabilité de la gouttelette augmente globalement. Les plages de variation de A/V sont [2,77–8,76], [3,34–9,57] et [3,77–11,5] pour des fréquences de vibration de 400 Hz, 500 Hz et 600 Hz, respectivement. À mesure que la fréquence de vibration augmente, le temps d'extrusion des gouttelettes individuelles diminue. La bonne fréquence de vibration doit être sélectionnée pour combiner la haute moulabilité avec le long temps de séjour. Les A/V des gouttelettes sont très similaires aux fréquences 400 Hz et 500 Hz. Cependant, la goutte a un temps de séjour significativement plus long à 400 Hz. Par conséquent, une fréquence de vibration de 400 Hz a été choisie pour les expériences d'impression.

La figure 6a montre le processus d'extrusion des gouttelettes sous micro-vibration. Les paramètres de vibration sont une amplitude de vibration de 7,05 µm et une fréquence de vibration de 400 Hz. La figure 6b est le processus d'extrusion d'EGaIn avec une pression d'air. La pression a été contrôlée à l'aide d'un détendeur et l'EGaIn peut être extrudé à une pression d'air minimale de 11 kPa. En 20 s, 2,732 g d'EGaIn ont été extrudés sous pression d'air et 0,08 g d'EGaIn ont été extrudés sous vibration. La vitesse moyenne d'extrusion sous pression d'air et vibration peut être calculée. L'entraînement pneumatique était 34,15 fois plus rapide que la micro-vibration. Les temps d'extrusion de gouttelettes individuelles sous micro-vibration et pression pneumatique sont respectivement de 8 s et 2 s. La figure 6c indique que les gouttelettes ont une tension superficielle élevée sous pression d'air, environ 600 mN/m. Cependant, la tension superficielle globale est relativement faible sous vibration, et la tension superficielle est d'environ 430 mN/m lorsque la gouttelette atteint la taille maximale. La figure 6d montre que les différentes plages d'A/V sous micro-vibration et pression d'air sont [2,48–8,05] et [3,23–16,48], respectivement. De plus, la moulabilité de l'entraînement pneumatique diminue plus rapidement que celle de l'entraînement par micro-vibration. Par exemple, l'A/V de la gouttelette diminue rapidement à 3,85 1/mm après 0,5 s d'extrusion sous pression d'air. Sous vibration, l'A/V diminue à 3,85 1/mm en 10ème s, soit après 6 s d'extrusion. Cela indique que les micro-vibrations réduisent considérablement la vitesse d'extrusion de l'EGaIn, permettant aux gouttelettes à haute moulabilité de rester longtemps à la pointe de la buse, ce qui améliore l'imprimabilité de l'EGaIn.

Comparaison micro-vibration et pneumatique. (a) Le procédé d'extrusion EGaIn sous micro-vibration. (b) Le procédé d'extrusion EGaIn sous pneumatique. (c) Tension superficielle de l'extrusion de gouttelettes sous micro-vibration et pression d'air. (d) Moulabilité de l'extrusion de gouttelettes sous micro-vibration et pression d'air. Dans l'expérience, le poids de l'EGaIn dans la seringue est de 24 g.

La figure 7a indique que la vitesse d'extrusion moyenne d'EGaIn augmente à mesure que l'amplitude de vibration augmente. La figure 7b montre que la vitesse d'extrusion moyenne de l'EGaIn augmente puis diminue à mesure que la fréquence de vibration augmente, atteignant un pic à une certaine fréquence. La figure 7c montre que la vitesse d'extrusion moyenne d'EGaIn augmente avec l'augmentation du poids d'EGaIn dans la seringue. Les expériences d'extrusion par micro-vibration ci-dessus ont été réalisées avec une buse de diamètre intérieur de 0,2 mm. Afin d'élargir la gamme de buses disponibles pour l'impression, l'influence de buses de différents diamètres internes sur la vitesse moyenne d'extrusion d'EGaIn a été mesurée. Comme le montre la figure 7d, la vitesse d'extrusion moyenne d'EGaIn augmente à mesure que le diamètre intérieur de la buse augmente.

Influence des paramètres de vibration, du poids et du diamètre intérieur de la buse sur la vitesse d'extrusion. (a) Influence de l'amplitude de vibration sur la vitesse moyenne d'extrusion. (b) Influence de la fréquence de vibration sur la vitesse moyenne d'extrusion. (c) Influence du poids de l'EGaIn dans la seringue sur la vitesse moyenne d'extrusion. (d) Influence de différents diamètres intérieurs de buse sur la vitesse moyenne d'extrusion.

Selon la figure 8a, l'EGaIn extrudé a généré des gouttelettes sur le substrat lorsque la hauteur de la buse était supérieure à 0, 05 mm. Lorsque la hauteur de la buse était trop basse, la piste EGaIn imprimée était plus fine car les gouttelettes n'atteignaient pas une taille suffisante. L'effet de la vitesse d'impression sur l'impression est représenté sur la figure 8b. Lorsque la vitesse d'impression était inférieure à 1 mm/s, des gouttelettes se formaient sur le substrat car la buse restait trop longtemps dans la même position. Au fur et à mesure que la vitesse d'impression augmente, le temps pendant lequel la buse reste dans la même position est réduit. L'EGaIn sur le substrat devenait plus fin et parfois la piste d'impression était interrompue. Ainsi, la vitesse d'impression était de 1 mm/s et la hauteur de la buse a été choisie à 0,05 mm. Les paramètres d'impression et les paramètres de vibration ci-dessus ont été appliqués pour imprimer différentes pistes EGaIn, comme illustré à la Fig. 8c – e. L'effet d'impression est bon, ce qui confirme encore l'efficacité de l'analyse ci-dessus.

Expérience d'impression 3D d'EGaIn pilotée par micro-vibration. (a) Piste d'impression utilisant différentes hauteurs de buse, vitesse d'impression : 1 mm/s. Vibration variable : 80 V, 400 Hz, 24 g. (b) Piste d'impression utilisant différentes vitesses d'impression, hauteur de buse : 0,05 mm. Vibration variable : 80 V, 400 Hz, 24 g. (c) Étoile à cinq branches. (d) Cercle concentrique. (e) Ligne en spirale.

Une méthode d'impression 3D d'EGaIn pilotée par micro-vibration a été proposée. Avec cette méthode, la pointe de la buse perce la peau d'oxyde des gouttelettes d'EGaIn extrudées, améliorant le temps nécessaire aux gouttelettes d'EGaIn pour maintenir une moulabilité élevée à la pointe de la buse, évitant la génération de grosses gouttelettes aléatoires dans le processus d'impression. Les conclusions spécifiques sont les suivantes,

Un système d'impression 3D piloté par micro-vibration pour EGaIn a été construit. La vibration de la céramique piézoélectrique a été transmise sur la seringue par un mécanisme compliant, et le processus d'extrusion des gouttelettes d'EGaIn sous l'action des micro-vibrations a été obtenu par une caméra à grande vitesse.

Les résultats des expériences montrent qu'avec l'augmentation de la fréquence et de l'amplitude des vibrations, la tension superficielle des gouttelettes d'extrusion diminue, la moulabilité augmente et le temps de rétention des gouttelettes sur la buse diminue. En combinant la moulabilité, la tension superficielle et le temps de séjour des gouttelettes, une amplitude de tension d'entrée de 80 V et une fréquence de vibration de 400 Hz ont été sélectionnées comme paramètres de vibration. En comparant les propriétés des gouttelettes sous vibration et conduite pneumatique, la tension superficielle des gouttelettes d'EGaIn sous micro-vibration est faible, la moulabilité est élevée et le temps de rétention des gouttelettes de liquide est long. Tous ces éléments sont bénéfiques pour contrôler l'EGaIn lors de l'extrusion.

Les effets de la vitesse d'impression et de la hauteur de la buse sur les résultats d'impression ont été étudiés grâce à l'expérience d'impression 3D EGAIn. De bons résultats d'impression ont été obtenus lorsque la vitesse d'impression était de 1 mm/s et la hauteur de la buse était de 0,05 mm. Le capteur de coude flexible a été fabriqué par impression 3D micro-vibration EGaIn sur gel de silice, ce qui a permis de vérifier la faisabilité de cette méthode dans la fabrication du capteur flexible.

La méthode d'impression 3D assistée par micro-vibration pour l'extrusion EGaIn a résolu le problème des gouttelettes aléatoires dans la structure d'impression. En même temps, le procédé n'est pas limité par le processus d'impression, les matériaux ou les structures formées de métal liquide. Il fournit une nouvelle idée pour l'impression 3D de métal liquide.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51775078) et le Liaoning Province Key Special Science and Technology Project (Grant No. 2022JH1/10800020).

École de génie mécanique, Université Dalian Jiaotong, Dalian, 116028, République populaire de Chine

Sheng Lin, Long Zhang et Liang Cong

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LZ a conçu et réalisé les principales expériences. SL et LZ ont analysé les données expérimentales et ont produit les figures et tableaux expérimentaux. Le manuscrit a été examiné par tous les auteurs.

Correspondance avec Long Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lin, S., Zhang, L. & Cong, L. Une méthode d'impression d'écriture directe à l'encre par micro-vibration d'alliages gallium-indium. Sci Rep 13, 3914 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31091-z

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Reçu : 15 décembre 2022

Accepté : 06 mars 2023

Publié: 08 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31091-z

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