Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Управляемая зарядом 3D-печать помогла создать тактильный сенсор

Пример получившийся структуры, где переплетены металл и пластик

Ryan Hensleigh et al. / Nature Communications, 2020

Американские инженеры изобрели простой способ высокоточной трехмерной печати, пригодный для создания микроэлектроники. Он основан на формировании каркаса, разные части которого имеют электрический заряд, после чего наносимый материал прилипает к противоположно заряженным местам. При помощи этого метода можно создавать объемные электрические схемы любой сложности, в частности тактильные датчики и датчики формы. Статья опубликована в журнале Nature Electronics.

Трехмерная печать создала себе репутацию простого и дешевого способа производства. Однако, когда дело доходит до необычных форм, микроскопических размеров или большого количества материалов — появляются проблемы, которые ограничивают печать сложных предметов. Например, одновременная печать пластиком и металлом до сих пор не нашла широкого промышленного применения.

Задолго до появления термина «3D-печать» в производстве микросхем использовалась микролитография, по существу, тоже печать. Процессоры создаются послойно, и нанесение каждого слоя материала зависит от того, какой формы маска была проэкспонирована на фоточувствительную пленку. Грубо говоря, на нее проецировалось изображение лабиринта из контактов, затем незасвеченные участки смывались, и на основе получившегося каркаса строили проводящие цепи. Затем снова наносилась пленка, снова экспонировалась, и так цикл повторялся много раз, пока не появлялась требуемая объемная структура.

Райан Хенсли (Ryan Hensleigh) и его коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе решили на основе фотолитографии создать совершенно новый метод создания трехмерных предметов. Существенным ограничением традиционной технологии была ее «плоскость», ведь из плоских фигур трудно создавать сложные объемные структуры. Инженеры придумали, как можно работать с полимерным каркасом не послойно, а со всем сразу.

Они решили использовать свойство противоположных зарядов притягиваться друг к другу. Для производства по новой технологии нужны ванны с тремя разными пластмассами. Помимо нейтральной, двум другим придают электрический заряд — положительный и отрицательный. Основу для будущего каркаса помещают в ванну с одним из пластиков, и экспонируют фигурной маской, затем вынимают, сушат, и в другой ванне засвечивают другой узор. Таким образом создается трехмерная решетка, основная масса которой нейтральна, а отдельные точки — заряжены.

После этого все что остается — обмакнуть получившийся каркас в жидкость с разведенным материалом, который необходимо нанести, — например, медь. Материал также изготавливают таким образом, чтобы он обладал зарядом, из-за чего он осаждается из воды в противоположно заряженных участках решетки. В результате получается объемная структура, в которой пластик и металл переплетены сколь угодно сложно.

Новая технология, помимо микросхем, может пригодится при создании гибкой электроники. Так, авторы демонстрируют прототип тактильного датчика, произведенного по их методу. В основе такого устройства лежит пьезоэлектрический эффект, который позволяет генерировать ток за счет деформации твердого тела. Наноскопические пьезоэлементы ученые замешали в пластик, и напечатали им сдавливающуюся трехмерную сетку, отдаленно напоминающую мочалку. По этой сетке были равномерно осаждены медные контакты, соединенные в сеть.

Как итог, при давлении на получившуюся конструкцию пьезоэлементы вырабатывали электричество, и чем сильнее деформация, тем больше напряжение. Анализ этой карты напряжений позволяет эффективно воспроизводить функции тактильной системы человека, что необходимо для роботов или протезов.

Трехмерная печать открывает новые возможности в инженерии. Например, она позволила создать электрическую схему прямо на руке человека, упростила конструкцию химических микрореакторов, а швейцарцы научились печатать стеклом без сильного нагрева.

Василий Зайцев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.