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Jul 03, 2023

Ein Mikro

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3914 (2023) Diesen Artikel zitieren 866 Zugriff auf 2 Details zu altmetrischen Metriken Kombination von Flüssigkeitsfließfähigkeit und metallischer Leitfähigkeit, Gallium-Indium-Legierungen (Ga-In).

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3914 (2023) Diesen Artikel zitieren

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2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Gallium-Indium-Legierungen (Ga-In) vereinen flüssige Fließfähigkeit und metallische Leitfähigkeit und sorgen in Bereichen wie dehnbaren elektronischen Schaltkreisen und tragbaren medizinischen Geräten für Furore. Aufgrund der hohen Flexibilität wird der direkte Tintenschreibdruck bereits häufig zum Drucken von Ga-In-Legierungen eingesetzt. Derzeit ist die pneumatische Extrusion die Hauptmethode des direkten Tintenschreibdrucks, aber die Oxidhaut und die niedrige Viskosität der Ga-In-Legierungen erschweren die Kontrolle nach der Extrusion. In dieser Arbeit wurde eine Methode zum direkten Tintenschreibdrucken von Ga-In-Legierungen unter Verwendung mikrovibrationsgetriebener Extrusion vorgeschlagen. Mikrovibration reduziert die Oberflächenspannung von Ga-In-Legierungströpfchen und verhindert das Auftreten zufälliger Tröpfchen beim Drucken. Unter Mikrovibration durchdringt die Düsenspitze die Oxidhaut und bildet kleine Tröpfchen, die sich gut formen lassen. Durch die Optimierung geeigneter Mikrovibrationsparameter wird der Tropfenwachstumsprozess deutlich verlangsamt. Daher können die Tröpfchen der Ga-In-Legierung mit hoher Formbarkeit über einen langen Zeitraum an der Düse gehalten werden, was die Druckbarkeit verbessert. Darüber hinaus wurden mit Mikrovibrationen durch die Wahl der richtigen Düsenhöhe und Druckgeschwindigkeit bessere Druckergebnisse erzielt. Die Versuchsergebnisse zeigten die Überlegenheit der Methode im Hinblick auf die Extrusionskontrolle von Ga-In-Legierungen. Mit dieser Methode wird die Druckbarkeit der flüssigen Metalle verbessert.

Legierungen auf Galliumbasis, bei denen es sich um flüssige Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten handelt, werden aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften häufig in der flexiblen Elektronik1,2, der Materialsynthese3,4, der dehnbaren Elektronik5,6, Sensoren7,8 und anderen Bereichen verwendet. Die Formbarkeit von Ga-In-Legierungen wird durch die Kombination der 3D-Drucktechnologie verbessert. Allerdings oxidieren Ga-In-Legierungen an der Luft schnell und bilden eine natürliche Oxidhaut, bei der es sich um ein viskoelastisches Material handelt9. Die Oxidhaut dominiert die rheologischen Eigenschaften und verringert die Oberflächenspannung10, die der Schlüssel zum Drucken von Ga-In-Legierungen ist11. Beim pneumatischen Extrusions-3D-Druckverfahren für Ga-In-Legierungen verursacht die Oxidhaut große Ga-In-Legierungströpfchen an der Düse, was die Formbarkeit verringert12. Dann ist der Extrusionsprozess schwer zu kontrollieren. Die Schwierigkeit, die Extrusion zu kontrollieren, führt dazu, dass Ga-In-Legierungen während des Druckvorgangs Tröpfchen zufälliger Größe erzeugen. Diese zufällig großen Tröpfchen beeinflussen die Anforderungen an Auflösung13,14 und Leitfähigkeit15 der gedruckten Struktur. Daher haben viele Forscher Methoden vorgeschlagen, um die Entstehung von Tröpfchen zufälliger Größe zu vermeiden. Zur Unterstützung der pneumatischen Extrusion flüssiger Metalle werden drei Methoden eingesetzt.

Der Druck erfolgt durch Aufbrechen der Oxidhaut durch eine äußere Kraft. Cook et al.16 schlugen vor, dass die Tröpfchen durch genaue Steuerung des Extrusionsdrucks extrudiert, aber nicht fallen gelassen werden und dass die Scherkraft zwischen den Tröpfchen und dem Substrat genutzt wird, um die flüssigen Metalle am Substrat zu haften. Ladd et al.17 rissen die Oxidhaut durch Zugkraft auf und bildeten freistehende Flüssigmetalldrähte. Allerdings stellt die Methode der Zerstörung der Oxidhaut durch äußere Krafteinwirkung in der Regel höhere Anforderungen an den Druckprozess, wie beispielsweise eine präzise Steuerung der Düsenhöhe. Die rheologischen Eigenschaften flüssiger Metalle wurden durch die Kombination metallischer und nichtmetallischer Materialien verändert, sodass das flüssige Metall auch nach der Extrusion seine Form behalten konnte. Wu et al.14 schlugen eine flüssige Mikrogeltinte durch Mischen von Natriumalginat-Mikrogel vor, wodurch die enorme Oberflächenspannung verringert und die Haftungsleistung verbessert wurde. Chan et al.13 schlugen eine recycelbare und reversible Flüssigmetallpaste durch Kombination von SiO2-Partikeln vor, die die Haftungseigenschaften von Flüssigmetallen verbesserte. Laut Daalkhaijav et al.18 würde die Zugabe leitfähiger Nano- oder Mikronickelmaterialien zu flüssigen Metallen deren Elastizitätsmodul und Streckgrenze verbessern und den 3D-Druck ermöglichen. Das Problem der präzisen Steuerung des extrudierten flüssigen Metalls kann durch die Zugabe anderer Materialien effektiv gelöst werden, die Anwendung wird jedoch auch durch die hinzugefügten Materialien eingeschränkt. Der koaxiale Koextrusionsdruck wurde durch eine Neugestaltung der mechanischen Struktur der Düse erreicht. Um einen kontinuierlichen und stabilen Flüssigmetallfluss zu erhalten, entwickelten Khondoke et al.19 eine koaxiale Koextrusionsdüse, die flüssiges Metall in ein thermoplastisches Elastomer einwickeln und zusammen extrudieren konnte. Wu et al.20 schlugen eine koaxiale Düse mit der inneren Düsenverlängerung vor, um flüssiges Metall gleichmäßig und effektiv einzuwickeln und zu extrudieren, wodurch ein Flüssigmetalldruck mit mehreren Auflösungen möglich wäre. Allerdings lässt sich die 3D-Struktur mit dieser Methode nicht durch Stapeln flüssiger Metalltröpfchen drucken. Das obige Verfahren löst teilweise das Problem der Oxidhaut beim Flüssigmetalldruckprozess, der Druckprozess, die Materialien oder die Flüssigmetallformstrukturen sind jedoch in gewissem Maße eingeschränkt. Um den Einfluss der Oxidhaut auf die Druckergebnisse zu reduzieren, ohne das Material oder den Prozess einzuschränken, haben wir ein 3D-Druckverfahren mit Mikrovibrationsantrieb für die Flüssigmetallextrusion vorgeschlagen. Bei dieser Methode wird die Oxidhaut des Tropfens aufgebrochen, wenn sich der Tropfen nicht auf eine ausreichende Größe ausdehnt. Mit dieser Methode wird das Auftreten zufälliger Tröpfchen in der Druckstruktur wirksam vermieden.

Hier wird ein mikrovibrationsbetriebenes Verfahren zur Extrusion von Ga-In-Legierungen vorgeschlagen, um den Druck zu erreichen. Die Oberflächenspannung wurde unter Vibration entsprechend der Messung der Oberflächenspannung der Ga-In-Legierungströpfchen reduziert. Die Formbarkeit von Ga-In-Legierungströpfchen wurde durch Vibration erhöht. Durch die Wahl geeigneter Vibrationsparameter kann die Extrusionsgeschwindigkeit der Tröpfchen auf den gewünschten Wert gesteuert werden. Somit können Tröpfchen mit hoher Formbarkeit für die gewünschte Zeit in der Düse gehalten werden. Die zufälligen großen Tröpfchen in der Druckspur werden ohne Einschränkung der Materialien und des Druckprozesses vermieden.

Als flüssiges Metallmaterial wurde eutektisches Gallium-Indium (EGaIn) (75 % Ga, 25 In) gewählt. Gallium und Indium wurden im Verhältnis 3:1 mit einer Konzentration von jeweils 99,99 % eingewogen. Gallium wurde von der East Hope Group Co., Ltd. gekauft. Indium wurde von der Zhuzhou Smelting Group Co., Ltd. gekauft. Die physikalischen Eigenschaften des EGaIn sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Eigenschaften der unter Mikrovibration extrudierten EGaIn-Tröpfchen bestimmen direkt die Druckqualität. Daher wurden experimentelle Untersuchungen zur Oberflächenspannung, Formbarkeit, Tröpfchenverweilzeit und Extrusionsgeschwindigkeit der Tröpfchen durchgeführt. Die EGaIn-Druckexperimente unter Mikrovibration wurden auch durchgeführt, um den Einfluss der Düsenhöhe und der Druckgeschwindigkeit auf die Druckergebnisse zu analysieren. Schließlich wurde ein flexibler Sensor mithilfe der Mikrovibrations-Extrusions-Flüssigmetall-3D-Druckmethode hergestellt.

Wie in Abb. 1a gezeigt, wird EGaIn aus der Düse extrudiert und schnell oxidiert, um an der Luft eine Kern-Schale-Struktur zu bilden. Die Oxidhaut führt dazu, dass EGaIn an der Düse einen Tropfen bildet. Abbildung 1b und c zeigen den Zerstörungsprozess der Oxidhaut mit der mikrovibrationsgetriebenen Methode. Unter der Vibrationskraft zerteilt die Düse die nahegelegene Oxidhaut, sodass der Tropfen vorzeitig abfällt, wenn die Oxidhaut die Fließgrenze nicht erreicht. Durch die Auswahl geeigneter Vibrationsparameter kann somit die gewünschte Extrusionsgeschwindigkeit und Formbarkeit erreicht werden.

Prinzip der Mikrovibration, die die Oxidhaut durchdringt. (a) EGaIn bildet in Luft eine Kern-Schale-Struktur. (b, c) Mikrovibrationen führen zum Aufbrechen der Oxidhaut.

Die Versuchsausrüstung besteht aus einem Mikrovibrationsmechanismus, einer Hochgeschwindigkeitskamera und einem 3D-Drucker, wie in Abb. 2a dargestellt. Der Status des extrudierten EGaIn wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die Hochgeschwindigkeitskamera umfasst das Bewegungsanalysemikroskop VW-6000E und die Fern-Makrozoomeinheit VW-Z2 von KEYENCE. Als Bewegungssteuerungsmechanismus wurde ein Anet A8-Plus 3D-Drucker ausgewählt. Das Druckmaterial-Zuführsystem des ursprünglichen 3D-Druckers wurde entfernt und der Mikrovibrationsmechanismus an der Position montiert. Abbildung 2d zeigt den Mikrovibrationsmechanismus, der aus einer Mikroverschiebungsplattform, einem piezoelektrischen Keramikaktor und einer Keilexpansionsklemme besteht. Die Mikroverdrängungsplattform ist in Abb. 2c dargestellt. Der piezoelektrische Keramikaktor wurde auf der Plattform befestigt, um den Arbeitstisch anzutreiben. Der Piezo-Controller E00.D3 wurde zur Steuerung der vorgespannten Niederspannungs-Säulen-Piezoaktoren (PSt150/7/20) von Harbin Core Tomorrow Technology Co., Ltd. in China verwendet. Die Keil-Expansionsklemme wurde auf dem Arbeitstisch befestigt und die Spritze wurde auf der Keil-Expansionsklemme festgeklemmt. Die Düse der Spritze ist 0,5 Zoll lang und hat einen Innendurchmesser von 0,2 mm. Die Basis verband den Mikrovibrationsmechanismus und den 3D-Drucker. Abbildung 2b zeigt die Beziehung zwischen der Spannung der piezoelektrischen Keramik und der Ausgangsverschiebung des Arbeitstisches mit nachgiebigem Mechanismus. Die DC-Antriebsspannung stieg in Abständen von 10 V von 10 auf 100 V. Die Verschiebung des Arbeitstisches des nachgiebigen Mechanismus wurde mit dem LVDT-Mikrometer von Harbin Core Tomorrow gemessen. Beim Mikrovibrations-Extrusions-3D-Druck für EGaIn wurde das sinusförmige Anregungssignal \(V={V}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft\right)\) an den piezoelektrischen Keramiktreiber angelegt , wobei \({V}_{0}\) die Amplitude der Spannung und \(f\) die Frequenz ist. Die Ausgangsverschiebung des Arbeitstisches beträgt \(X={X}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft+\varphi \right)\), wobei \({X}_{0}\ ) ist die Amplitude, \(f\) ist die Schwingungsfrequenz und \(\varphi\) ist der Phasenwinkel. Die Kurve in Abb. 2b deutet die Beziehung zwischen \({X}_{0}\) und \({V}_{0}\) an.

Experimentelle Ausrüstung. (a) Zusammensetzung des experimentellen Systems. (b) Die Beziehung zwischen Spannung und Ausgangsverschiebung. (c) Mikro-Verdrängungsplattform. (d) Mikrovibrationsmechanismus.

Ein EGaIn-Tröpfchen schwebt in der Luft und sorgt für das Gleichgewicht von Schwerkraft und Oberflächenspannung. Das dimensionslose Verhältnis der Gravitations- und Oberflächenspannungskräfte wird durch die Beziehung21 definiert

wobei \(Bo\) die Bindungszahl bezeichnet, \(\Delta \rho\) die Dichtedifferenz zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Flüssigkeit ist, \(\mathrm{g}\) die Gravitationskonstante der Erde ist, \(\ Sigma\) ist die Oberflächenspannung und R ist der Krümmungsradius an der Tropfenspitze.

Um die Oberflächenspannung klar auszudrücken, kann Gl. (1) kann umgeschrieben werden als

In Gl. (2), \(\Delta \rho\) und \(\mathrm{g}\) sind bekannt. Wenn die Bindungszahl \(Bo\) und der Tropfenradius R am Scheitelpunkt bestimmt werden, kann die Oberflächenspannung \(\sigma\) ermittelt werden.

\(Bo\) und R können bestimmt werden, indem das gemessene Tropfenprofil mit einer theoretischen Tropfenkontur abgeglichen wird, die gemäß der Young-Laplace-Gleichung in der Open-Source-Software OpenDrop22 berechnet wird. Der Vorgang ist in Abb. 3 dargestellt. In Abb. 3a zeichnet die Hochgeschwindigkeitskamera die Veränderung der Tröpfchen mit einer Bildrate von 60 fps auf. Die experimentellen Bilder der Hochgeschwindigkeitskamera werden in die Software OpenDrop geladen. Die EGaIn-Dichte, die Luftdichte und der Düsenaußendurchmesser werden in OpenDrop importiert und Tröpfchenprofile extrahiert. \(Bo\) und R werden durch Minimierung der Summe der quadrierten Residuen des theoretischen Pendant-Drop-Profils und der experimentellen Daten erhalten, wie in Abb. 3b gezeigt. Und die Oberflächenspannung \(\sigma\) wird durch Gleichung berechnet. (2).

Erfassungsprozess der EGaIn-Tröpfcheneigenschaft (a) EGaIn-Tröpfchenbildextraktion. (b) Analyse der EGaIn-Tröpfcheneigenschaft.

Die Fähigkeit von EGaIn, bei Raumtemperatur eine stabile Mikrostruktur innerhalb seiner Oxidhaut aufrechtzuerhalten, wird als Formbarkeit bezeichnet12. Die Oberfläche des Tropfens wird mit A und das Volumen des Tropfens mit V bezeichnet. Die Formbarkeit steigt mit dem A/V-Verhältnis23. Daher kann das Änderungsgesetz der Formbarkeit durch das Änderungsgesetz von A/V widergespiegelt werden.

Die angepasste Young-Laplace-Lösung kann auch verwendet werden, um zusätzliche Daten wie Volumen V und Oberfläche A24 bereitzustellen

Dabei gibt der Balken dimensionslose Größen an, \(r\) sind die Spaltenkoordinaten, \(\varphi\) ist der Tangentenwinkel, \(s\) ist die Bogenlänge. Um die Formbarkeit der Tröpfchen zu vergleichen, werden 25 Bilder aufgenommen, während die Tröpfchen größer werden, und die Formbarkeit berechnet. Das Volumen V und die Oberfläche A des Tropfens werden durch Gl. (3). Das Verhältnis von A/V ergibt sich aus Gl. (4).

Auch die Extrusionsgeschwindigkeit des EGaIn hat Einfluss auf die Druckergebnisse. Wenn die Extrusionsgeschwindigkeit niedrig ist, wird das EGaIn nicht ausreichend extrudiert, was dazu führt, dass die gedruckte Struktur gedehnt wird oder bricht. Bei hoher Extrusionsgeschwindigkeit können sich die Druckspuren ausbeulen oder Tröpfchen bilden. Daher ist es notwendig, den Einfluss von Mikrovibrationen auf die Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn zu untersuchen. Die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit kann nach Gl. berechnet werden. (5),

Dabei ist \(\overline{v }\) die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit, t die Extrusionszeit und w das Gewicht des extrudierten EGaIn in der Zeit t.

Der spezifische experimentelle Prozess ist wie folgt:

Der Bereich der Spannungsamplitude reicht von 10 bis 100 V in 10-V-Intervallen. Als Spannungsamplitude wird zunächst 10 V gewählt, Schritt (2) für andere Spannungsamplituden wiederholen.

Die Vibrationsfrequenz wird in 100-Hz-Intervallen zwischen 100 und 600 Hz gewählt. Wiederholen Sie die Schritte (3)–(8) für verschiedene Vibrationsfrequenzen.

Die Spritze wird zunächst mit 50 g EGaIn gefüllt.

Die Vorextrusion erfolgt unter Mikrovibration, bis das EGaIn reibungslos extrudiert werden kann.

Der EGaIn-Extrusionsprozess wird von einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Der Extrusionsprozess dauert 20 s und das Gewicht des extrudierten EGaIn wird gemessen.

Die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit kann nach Gl. berechnet werden. (5).

Nachdem 2 g EGaln extrudiert wurden, wiederholen Sie die Schritte (5)–(7).

Das EGaIn in der Spritze nimmt allmählich ab, bis das EGaIn nicht mehr extrudiert werden kann. Das Experiment ist beendet.

Neben der EGaIn-Tropfeneigenschaft, die das Druckergebnis beeinflusst, haben auch die Druckgeschwindigkeit und die Düsenhöhe einen wichtigen Einfluss auf das Druckergebnis. Wählen Sie 80 V und 400 Hz als Vibrationsparameter gemäß den Versuchsergebnissen der Tröpfcheneigenschaften. Die Düsenhöhe vom Substrat erhöhte sich allmählich von 0,03 auf 0,08 mm und die Druckqualität wurde beobachtet. Wählen Sie die passende Düsenhöhe von 0,05 mm, stellen Sie die Druckgeschwindigkeit von 0,5 bis 2,5 mm/s ein und analysieren Sie die Druckergebnisse.

Basierend auf dem mikrovibrationsgesteuerten Druckverfahren wurde der flexible Ellenbogensensor entwickelt. Der Druckvorgang ist in Abb. 4a dargestellt. Das Basismaterial des flexiblen Sensors ist Ecoflex-Kieselgel. Der Aufbau und die Abmessungen des Sensors sind in Abb. 4b dargestellt. Nach dem 3D-Druck wurde die EGaIn-Spur mit Kieselgel verpackt, wie in Abb. 4c dargestellt. Und die Anzeige des hochpräzisen Multimeters zeigt, dass der Sensor eine gute Leitfähigkeit hat. Der Verschleiß ist in Abb. 4d dargestellt.

Mikrovibrationsdruckanwendung. (a) Druckprozess für Sensorstruktur. (b) Größe der Sensorstruktur. (c) Anzeige der Sensorleitfähigkeit (d) Tragen des Ellenbogensensors.

Jede Kurve in Abb. 5a und b stellt den Trend der Oberflächenspannung der EGaIn-Tröpfchen während der Extrusion einzelner Tröpfchen dar. Abbildung 5a zeigt, dass die Extrusionszeit eines einzelnen Tropfens mit zunehmender Schwingungsamplitude allmählich abnimmt. Und bei unterschiedlichen Schwingungsamplituden tendiert die Oberflächenspannung der Tröpfchen dazu, sich zu stabilisieren. Die Oberflächenspannung der Tröpfchen nimmt mit zunehmender Schwingungsamplitude allmählich ab. Wenn die Schwingungsamplitude klein ist, beispielsweise 2,625 µm und 3,625 µm, ist die Auswirkung auf die Oberflächenspannung nicht offensichtlich. Die Tröpfchen haben immer noch eine hohe Oberflächenspannung von etwa 600 mN/m. Die höhere Oberflächenspannung führt dazu, dass EGaIn während des Druckvorgangs Tröpfchen bildet, was sich auf die Druckqualität auswirkt. Bei großer Schwingungsamplitude nimmt die Oberflächenspannung der Tröpfchen deutlich ab. Bei einer Schwingungsamplitude von 9,65 µm beträgt die Oberflächenspannung der Tröpfchen etwa 350 mN/m. Dadurch kann die Düsenspitze die Oxidhaut leichter durchdringen, wenn die Vibrationsamplitude größer ist. Abbildung 5b zeigt, dass die Extrusionszeit einzelner Tröpfchen mit zunehmender Vibrationsfrequenz abnimmt. Dies bedeutet, dass die Erhöhung der Vibrationsfrequenz dazu beitragen kann, dass die Düsenspitze die Oxidhaut durchdringt. Die Oberflächenspannung der Tröpfchen nimmt mit zunehmender Schwingungsfrequenz allmählich ab. Die Oberflächenspannung bei 500 Hz und 600 Hz Vibrationsfrequenz beträgt etwa 330 mN/m und 240 mN/m.

Oberflächenspannung und Formbarkeit. (a) Einfluss der Schwingungsamplitude auf die Oberflächenspannung von Tröpfchen. (b) Einfluss der Vibrationsfrequenz auf die Oberflächenspannung von Tröpfchen. (c) Einfluss der Schwingungsamplitude auf die Formbarkeit von Tröpfchen. (d) Einfluss der Vibrationsfrequenz auf die Formbarkeit von Tröpfchen. Im Experiment beträgt das Gewicht des EGaIn in der Spritze 50 g.

Die Formbarkeit wird anhand der Änderungsregel von A/V erörtert, da der Änderungstrend der Formbarkeit mit dem von A/V übereinstimmt. Abbildung 5c ​​zeigt, dass die Formbarkeit des Tropfens insgesamt zunimmt, wenn die Vibrationsamplitude während des Prozesses der Vergrößerung des einzelnen Tropfens zunimmt. Wenn die Schwingungsamplitude 2,625 µm, 4,7 µm und 9,6 µm beträgt, variiert das A/V in den Bereichen [2,56–6,73], [2,64–7,84] bzw. [3,06–9,25]. Daher weist das EGaIn eine bessere Formbarkeit bei höheren Vibrationsamplituden auf. Allerdings ist die Extrusionszeit der einzelnen Tröpfchen bei höherer Vibrationsamplitude kurz. Es muss eine geeignete Vibrationsamplitude gewählt werden, damit Tröpfchen mit hoher Formbarkeit eine lange Verweilzeit an der Düsenspitze haben. Daher wurde für die nachfolgenden Druckversuche eine Vibrationsamplitude von 7,05 µm gewählt. Die Eingangssinusspannungsamplitude, die der Amplitude von 7,05 µm entspricht, beträgt 80 V. Abbildung 5d zeigt, dass mit zunehmender Vibrationsfrequenz die Formbarkeit des Tropfens insgesamt zunimmt. Die Variationsbereiche von A/V betragen [2,77–8,76], [3,34–9,57] und [3,77–11,5] für Vibrationsfrequenzen von 400 Hz, 500 Hz bzw. 600 Hz. Mit zunehmender Vibrationsfrequenz verkürzt sich die Extrusionszeit einzelner Tröpfchen. Um die hohe Formbarkeit mit der langen Verweilzeit zu kombinieren, muss die richtige Vibrationsfrequenz gewählt werden. Das A/V der Tröpfchen ist bei den Frequenzen 400 Hz und 500 Hz sehr ähnlich. Allerdings hat der Tropfen bei 400 Hz eine deutlich längere Verweilzeit. Daher wurde für Druckversuche eine Vibrationsfrequenz von 400 Hz gewählt.

Abbildung 6a zeigt den Extrusionsprozess der Tröpfchen unter Mikrovibration. Die Vibrationsparameter betragen 7,05 µm Vibrationsamplitude und 400 Hz Vibrationsfrequenz. Abbildung 6b zeigt den Extrusionsprozess von EGaIn mit Luftdruck. Der Druck wurde über ein Druckminderventil gesteuert und EGaIn kann bei einem Mindestluftdruck von 11 kPa extrudiert werden. In 20 s wurden 2,732 g EGaIn unter Luftdruck und 0,08 g EGaIn unter Vibration extrudiert. Die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit unter Luftdruck und Vibration kann berechnet werden. Der pneumatische Antrieb war 34,15-mal schneller als die Mikrovibration. Die Extrusionszeiten einzelner Tröpfchen unter Mikrovibration und pneumatischem Druck betragen 8 s bzw. 2 s. Abbildung 6c zeigt, dass die Tröpfchen unter Luftdruck eine hohe Oberflächenspannung von etwa 600 mN/m aufweisen. Allerdings ist die Gesamtoberflächenspannung unter Vibration relativ niedrig und beträgt etwa 430 mN/m, wenn der Tropfen die maximale Größe erreicht. Abbildung 6d zeigt, dass die verschiedenen A/V-Bereiche unter Mikrovibration und Luftdruck [2,48–8,05] bzw. [3,23–16,48] betragen. Darüber hinaus nimmt die Formbarkeit des pneumatischen Antriebs schneller ab als die des Mikrovibrationsantriebs. Beispielsweise sinkt das A/V des Tröpfchens nach 0,5 s Extrusion unter Luftdruck schnell auf 3,85 1/mm. Unter Vibration sinkt das A/V innerhalb von 10 s, also nach 6 s Extrusion, auf 3,85 1/mm. Dies weist darauf hin, dass Mikrovibrationen die Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn erheblich reduzieren, sodass die Tröpfchen mit hoher Formbarkeit lange Zeit an der Düsenspitze verbleiben können, was die Druckbarkeit von EGaIn verbessert.

Vergleich von Mikrovibration und Pneumatik. (a) Der EGaIn-Extrusionsprozess unter Mikrovibration. (b) Der EGaIn-Extrusionsprozess unter pneumatischer Steuerung. (c) Oberflächenspannung der Tröpfchenextrusion unter Mikrovibration und Luftdruck. (d) Formbarkeit der Tröpfchenextrusion unter Mikrovibration und Luftdruck. Im Experiment beträgt das Gewicht des EGaIn in der Spritze 24 g.

Abbildung 7a zeigt, dass die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn mit zunehmender Vibrationsamplitude zunimmt. Abbildung 7b zeigt, dass die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit des EGaIn mit zunehmender Vibrationsfrequenz zunimmt und dann abnimmt und bei einer bestimmten Frequenz einen Höhepunkt erreicht. Abbildung 7c zeigt, dass die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn mit zunehmendem EGaIn-Gewicht in der Spritze zunimmt. Die oben genannten Mikrovibrationsextrusionsexperimente wurden mit einer Düse mit 0,2 mm Innendurchmesser durchgeführt. Um die Auswahl an zum Drucken verfügbaren Düsen zu erweitern, wurde der Einfluss von Düsen mit unterschiedlichem Innendurchmesser auf die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn gemessen. Wie in Abb. 7d dargestellt, steigt die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit von EGaIn mit zunehmendem Düseninnendurchmesser.

Einfluss von Vibrationsparametern, Gewicht und Düseninnendurchmesser auf die Extrusionsgeschwindigkeit. (a) Einfluss der Vibrationsamplitude auf die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit. (b) Einfluss der Vibrationsfrequenz auf die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit. (c) Einfluss des Gewichts des EGaIn in der Spritze auf die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit. (d) Einfluss unterschiedlicher Düseninnendurchmesser auf die durchschnittliche Extrusionsgeschwindigkeit.

Gemäß Abb. 8a erzeugte das extrudierte EGaIn Tröpfchen auf dem Substrat, wenn die Düsenhöhe höher als 0,05 mm war. Wenn die Düsenhöhe zu niedrig war, war die gedruckte EGaIn-Spur dünner, da die Tröpfchen nicht die ausreichende Größe erreichten. Die Auswirkung der Druckgeschwindigkeit auf das Drucken ist in Abb. 8b dargestellt. Wenn die Druckgeschwindigkeit unter 1 mm/s lag, bildeten sich Tröpfchen auf dem Substrat, weil die Düse zu lange an derselben Position blieb. Mit zunehmender Druckgeschwindigkeit verringerte sich die Verweildauer der Düse an derselben Position. Das EGaIn auf dem Substrat wurde dünner und manchmal wurde die Druckspur unterbrochen. Daher betrug die Druckgeschwindigkeit 1 mm/s und die Düsenhöhe wurde mit 0,05 mm gewählt. Die oben genannten Druckparameter und Vibrationsparameter wurden angewendet, um verschiedene EGaIn-Spuren zu drucken, wie in Abb. 8c – e dargestellt. Der Druckeffekt ist gut, was die Wirksamkeit der obigen Analyse weiter bestätigt.

3D-Druckexperiment von EGaIn, angetrieben durch Mikrovibration. (a) Druckspur mit verschiedenen Düsenhöhen, Druckgeschwindigkeit: 1 mm/s. Vibrationsvariable: 80 V, 400 Hz, 24 g. (b) Druckspur mit verschiedenen Druckgeschwindigkeiten, Düsenhöhe: 0,05 mm. Vibrationsvariable: 80 V, 400 Hz, 24 g. (c) Fünfzackiger Stern. (d) Konzentrischer Kreis. (e) Spirallinie.

Es wurde ein mikrovibrationsgesteuertes 3D-Druckverfahren für EGaIn vorgeschlagen. Bei dieser Methode durchdringt die Düsenspitze die Oxidhaut der extrudierten EGaIn-Tröpfchen und verkürzt so die Zeit, die EGaIn-Tröpfchen benötigen, um an der Düsenspitze eine hohe Formbarkeit aufrechtzuerhalten, wodurch die Entstehung zufälliger großer Tröpfchen im Druckprozess vermieden wird. Konkrete Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Für EGaIn wurde ein mikrovibrationsbetriebenes 3D-Drucksystem gebaut. Die Vibration der piezoelektrischen Keramik wurde durch einen nachgiebigen Mechanismus auf die Spritze übertragen, und der Extrusionsprozess der EGaIn-Tröpfchen unter Mikrovibrationswirkung wurde durch eine Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.

Versuchsergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Vibrationsfrequenz und -amplitude die Oberflächenspannung der Extrusionströpfchen abnimmt, die Formbarkeit zunimmt und die Verweilzeit der Tröpfchen auf der Düse abnimmt. Als Vibrationsparameter wurden Formbarkeit, Oberflächenspannung und Tröpfchenverweilzeit, eine Eingangsspannungsamplitude von 80 V und eine Vibrationsfrequenz von 400 Hz kombiniert. Vergleicht man die Tröpfcheneigenschaften unter Vibrationsantrieb und pneumatischem Antrieb, ist die Oberflächenspannung von EGaIn-Tröpfchen unter Mikrovibration gering, die Formbarkeit hoch und die Verweilzeit von Flüssigkeitströpfchen lang. All dies ist von Vorteil, um den EGaIn während der Extrusion zu kontrollieren.

Die Auswirkungen von Druckgeschwindigkeit und Düsenhöhe auf die Druckergebnisse wurden im Rahmen des 3D-Druckexperiments EGaIn untersucht. Gute Druckergebnisse wurden erzielt, wenn die Druckgeschwindigkeit 1 mm/s und die Düsenhöhe 0,05 mm betrug. Der flexible Ellenbogensensor wurde durch Mikrovibrations-EGaIn-3D-Druck auf Kieselgel hergestellt, was die Machbarkeit dieser Methode bei der Herstellung eines flexiblen Sensors bestätigte.

Das mikrovibrationsunterstützte 3D-Druckverfahren für die EGaIn-Extrusion löste das Problem zufälliger Tröpfchen in der Druckstruktur. Gleichzeitig ist das Verfahren nicht durch den Druckprozess, die Materialien oder die aus flüssigem Metall geformten Strukturen eingeschränkt. Es liefert eine neue Idee für den 3D-Druck von flüssigem Metall.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Guo, R., Wang, Wissenschaft. China Technol. Wissenschaft. 61, 1031–1037 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhang, S. et al. Hochpräziser konformer Druck von 3D-Flüssiglegierungsschaltkreisen für Soft-Elektronik. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 11, 7148–7156 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Neumann, TV, Facchine, EG, Leonardo, B., Khan, S. & Dickey, MD Direkter Schreibdruck eines selbstverkapselnden flüssigen Metall-Silikon-Verbundwerkstoffs. Soft Matter 16, 6608–6618 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Tandel, R. & Gozen, BA Direktes Tintenschreiben von Polymerkompositen auf Flüssigmetall-Graphen-Basis: Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Verarbeitung und Eigenschaften. J. Mater. Verfahren. Technol. 302, 117470 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Neumann, TV et al. Aerosol-Sprühabscheidung von Flüssigmetall- und Elastomerbeschichtungen für die schnelle Verarbeitung dehnbarer Elektronik. Mikromaschinen 12, 146 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Boley, JW, White, EL, Chiu, GT-C. & Kramer, RK Direktes Schreiben einer Gallium-Indium-Legierung für dehnbare Elektronik. Adv. Funktion Mater. 24, 3501–3507 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Bury, E. & Koh, AS Multimodale Verformung von Flüssigmetall-Multimaterial-Verbundwerkstoffen als dehnbare, dielektrische Materialien für die kapazitive Druckmessung. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 14, 13678–13691 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhou, LY, Fu, JZ, Gao, Q., Zhao, P. & He, Y. Vollständig gedruckte flexible und dehnbare Elektronik mit durch Drücken oder Gefrieren aktivierbaren Flüssigmetall-Silikontinten. Adv. Funktion. Mater. 30, 1906683 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Jacob, AR, Parekh, DP, Dickey, MD & Hsiao, LC Grenzflächenrheologie von flüssigen Metallen auf Galliumbasis. Langmuir 35, 11774–11783 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Joshipura, ID, Ayers, HR, Majidi, C. & Dickey, MD Methoden zur Strukturierung flüssiger Metalle. J. Mater. Chem. C 3, 3834–3841 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Doudrick, K. et al. Verschiedene Oxidtöne: Von nanoskaligen Benetzungsmechanismen bis zum Kontaktdruck von flüssigen Metallen auf Galliumbasis. Langmuir 30, 6867–6877 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Dickey, MD et al. Eutektisches Gallium-Indium (EGaIn): Eine flüssige Metalllegierung zur Bildung stabiler Strukturen in Mikrokanälen bei Raumtemperatur. Adv. Funktion. Mater. 18, 1097–1104 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Chang, H. et al. Rückgewinnbare Flüssigmetallpaste mit reversiblen rheologischen Eigenschaften für den Elektronikdruck. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 12, 14125–14135 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wu, P., Fu, J., Xu, Y. & He, Y. Flüssigmetall-Mikrogele für den dreidimensionalen Druck intelligenter elektronischer Kleidung. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 14, 13458–13467 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Haake, A., Tutika, R., Schloer, GM, Bartlett, MD & Markvicka, EJ On-Demand-Programmierung von Flüssigmetall-Verbund-Mikrostrukturen durch direkten Tintenschreib-3D-Druck. Adv. Mater. 34, 2200182 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Cook, A. et al. Schergetriebener Direktschreibdruck von flüssigen Metalllegierungen auf Galliumbasis bei Raumtemperatur. Adv. Ing. Mater. 21, 1900400 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Ladd, C., So, JH, Muth, J. & Dickey, MD 3D-Druck von freistehenden Flüssigmetall-Mikrostrukturen. Adv. Mater. 25, 5081–5085 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Daalkhaijav, U., Yirmibesoglu, OD, Walker, S. & Mengüç, Y. Rheologische Modifikation von Flüssigmetall für die additive Fertigung dehnbarer Elektronik. Adv. Mater. Technol. 3, 1700351 (2018).

Artikel Google Scholar

Khondoker, MA, Ostashek, A. & Sameoto, D. Direkter 3D-Druck dehnbarer Schaltkreise durch Flüssigmetall-Coextrusion innerhalb thermoplastischer Filamente. Adv. Ing. Mater. 21, 1900060 (2019).

Artikel Google Scholar

Wu, K., Zhang, P., Li, F., Guo, C. & Wu, Z. On-Demand-Druck von Flüssiglegierungen mit mehreren Auflösungen basierend auf viskoelastischem Fließquetschen. Polymere 10, 330 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sigalotti, L., Peña-Polo, F. & Trujillo, L. Ein Bildanalyseverfahren zur Messung der Oberflächenspannung von hängenden Mikrotropfen. J. Comput. Methoden Sci. Ing. 12, 371–382 (2012).

MathSciNet Google Scholar

Huang, E. et al. OpenDrop: Open-Source-Software für Pendant-Drop-Tensiometrie und Kontaktwinkelmessungen. J. Open Source Softw. 6, 2604 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Shin, G., Jeon, B. & Park, Y.-L. Direkter Druck von Flüssigmetallmustern mit einer Größe von weniger als 30 µm auf dreidimensionale Oberflächen für dehnbare Elektronik. J. Mikromech. Mikroeng. 30, 034001 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Berry, JD, Neeson, MJ, Dagastine, RR, Chan, DY & Tabor, RF Messung der Oberflächen- und Grenzflächenspannung mittels Pendant-Drop-Tensiometrie. J. Colloid Interface Sci. 454, 226–237 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51775078) und dem Liaoning Province Key Special Science and Technology Project (Grant Nos. 2022JH1/10800020) unterstützt.

School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian, 116028, Volksrepublik China

Sheng Lin, Long Zhang und Liang Cong

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LZ entwarf und führte die Hauptexperimente durch. SL und LZ analysierten die experimentellen Daten und erstellten die experimentellen Abbildungen und Tabellen. Das Manuskript wurde von allen Autoren geprüft.

Korrespondenz mit Long Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lin, S., Zhang, L. & Cong, L. Ein mikrovibrationsgesteuertes direktes Tintenschreibdruckverfahren für Gallium-Indium-Legierungen. Sci Rep 13, 3914 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31091-z

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Eingegangen: 15. Dezember 2022

Angenommen: 06. März 2023

Veröffentlicht: 08. März 2023

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

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