Impressió 3D electrohidrodinàmica ultraràpida amb resolució submicromètrica

Ievgueni Liaixenko

Rosell Llompart, Joan Cabot Codina, Andreu

Les tecnologies de fabricació additiva (AM) basades en la deposició capa per capa de material expulsat d'una boquilla ofereixen una versatilitat inigualable, però tenen limitacions pel que fa a la velocitat i la resolució d'impressió. El raig electrohidrodinàmic (EHD) permet de manera única generar raigs submicromètrics que poden assolir velocitats superiors a 1 m/s, però aquests raigs no es poden dipositar sobre un substrat en moviment amb una precisió submicromètrica, fins i tot quan s'utilitzen etapes mecàniques d'última generació, que estan limitades a acceleracions inferiors a ~30 m/s^2. Aquí, demostrem un nou enfocament d'impressió en què la trajectòria del raig EHD es pot ajustar contínuament amb acceleracions laterals de fins a 10^6 m/s^2 mitjançant el control de voltatges aplicats als elèctrodes posicionats al voltant del raig. Mitjançant imatges d'alta velocitat, hem dut a terme una anàlisi paramètrica de com els paràmetres del senyal de desviació i les configuracions de configuració influeixen en la desviació del raig. S'ha desenvolupat un programari a mida per generar senyals de desviació del raig que controlen el raig per imprimir patrons 2D, així com objectes 3D amb característiques submicromètriques. Aquests objectes 3D s'han imprès apilant nanofibres a freqüències capa per capa de fins a 2000 Hz. Les altes velocitats del raig i les freqüències capa per capa aconseguides es tradueixen en velocitats d'impressió de fins a 0,5 m/s en el pla i 0,4 mm/s en la direcció vertical, cosa que és de tres a quatre ordres de magnitud més ràpida que altres tècniques d'addició additiva que proporcionen mides de característiques equivalents. També hem utilitzat la desviació electrostàtica del raig per desenvolupar un nou mètode per determinar la velocitat dels raigs EHD. A diferència de tots els enfocaments anteriors, que es basen en l'anàlisi de microscòpia d'alta resolució ex situ de la fibra impresa, el nostre mètode es basa en el reconeixement d'imatges de patrons impresos predefinits, cosa que permet la monitorització in situ de la velocitat del raig. Finalment, en un estudi addicional sobre la impressió per etapes de raigs EHD lents de polímers fosos, mostrem que l'actualització de la ruta d'impressió per a cada capa dipositada permet ampliar significativament la gamma d'estructures imprimibles i, per tant, manipular les seves propietats mecàniques.

La impressió 3D serà una força altament disruptiva dins de la indústria manufacturera mundial. El mercat mundial actual de la impressió 3D supera els 5.000 milions d'euros i es preveu que arribi als 20.000 milions el 2025. Amb la seva velocitat d'impressió i resolució sense precedents, la nostra tecnologia està idealment posicionada per a la fabricació d'objectes molt petits, com els que s'utilitzen freqüentment en les indústries de la microelectrònica i la biotecnologia. 3.1. La nostra visió és fabricar una impressora 3D comercial a escala d'escriptori basada en la nostra tecnologia de deflexió del raig per validar-la i demostrar-la en aplicacions rellevants. En paral·lel, desenvoluparem tintes addicionals per demostrar la versatilitat de la tecnologia i desenvolupar-la cap a aplicacions específiques. Preveiem que trigaran 2-3 anys a tenir el nostre primer producte al mercat, probablement dirigit a institucions de recerca amb finalitats d'R+D. El nostre objectiu és entrar en mercats amb un alt volum i un alt potencial de marge. 3.2. Els principals objectius de la comercialització són (1) el disseny, la fabricació i la validació d'un prototip d'impressora compacta, (2) la creació d'una empresa derivada per comercialitzar la tecnologia, i (3) la identificació i consolidació de socis, clients i fonts de finançament addicionals. Per aconseguir aquests objectius generals, hem dissenyat un pla de treball dividit en 11 paquets de treball (WP) que inclouen 5 WP tecnològics dedicats a la fabricació i validació del prototip i el desenvolupament de tintes i aplicacions, i 6 WP d'explotació centrats en la identificació activa de socis, clients i usuaris finals, la promoció de la nostra tecnologia per diferents mitjans, i el desenvolupament d'un pla de negoci i la creació de l'empresa derivada. 3.3. Definició del producte/servei. Basant-nos en la nostra tecnologia d'impressió 3D disruptiva, es poden portar al mercat diversos productes i serveis (amb possibles fluxos d'ingressos associats): • El més obvi és una impressora 3D ultraràpida i d'alta resolució – a escala d'escriptori. • Un producte relacionat són les tintes d'una àmplia gamma de materials adaptats a aquesta impressora. • Un possible model de negoci complementari és el lloguer de les impressores. • Una altra és la comercialització dels productes impresos (impressió com a servei). • Llicència de la tecnologia per a aplicacions de nínxol (basada en les nostres 2 patents que protegeixen la tecnologia). 3.4. Possible estratègia de sortida del negoci. En algun moment, la tecnologia desenvolupada també es podria vendre a una gran empresa que ja operi en el negoci de la fabricació additiva, ja sigui un desenvolupador de sistemes o un proveïdor de serveis de fabricació additiva per a una gamma d'aplicacions, com ara: Voxeljet AG, Materialise NV, Stratasys, ExOne, 3D Systems, Hewlett-Packard Inc., Nano Dimension, Organovo, etc.

Additive Manufacturing (AM) Technologies; Layer-by-Layer Deposition; Nozzle Ejection; Printing Speed; Resolution; Electrohydrodynamic (EHD) Jetting; Submicrometer Jets; High Speeds; Moving Substrate; Submicron Accuracy; Mechanical Stages; Jet Trajectory Adjustment; Lateral Accelerations; Controlling Voltages; Electrodes; High-Speed Imaging; Parametric Analysis; Deflection Signal Parameters; Setup Configurations; Jet Deflection; Custom-Made Software; 2D Patterns; 3D Objects; Submicrometer Features; Stacking Nanofibers; Layer-by-Layer Frequencies; Printing Speeds; In-plane Printing; Vertical Direction; Feature Sizes; Electrostatic Jet Deflection; Novel Method; EHD Jet Speed Determination; Ex-situ High-Resolution Microscopy; Printed Fiber Analysis; Image Recognition; Predefined Printed Patterns; In-situ Monitoring; Stage-Based Printing; Slow EHD Jets; Polymer Melts; Printing Path Update; Printable Structures; Mechanical Properties Manipulation.