Forschern der University of Texas (UTEP) in El Paso ist es gelungen, ein kostengünstiges Aerosol Jet Printing-3D-Druck-System (AJP) für die Herstellung hybrider, elektronischer Geräte zu entwickeln. Dabei verwendeten sie Komponenten im Wert von gerade einmal rund 10.000 Euro. Testdrucke mit leitfähigen NP-Tinten verliefen erfolgreich.

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Forscher an der University of Texas in El Paso (UTEP) haben ein kostengünstiges AJP-System (Aerosol Jet Printing) für die Herstellung hybrider elektronischer Geräte entwickelt. Der rund 10.000 Euro teure 3D-Drucker basiert auf einem 32-Bit-Mikrocontroller (MCU), der die Verbindung mit Peripheriegeräten ermöglicht, die erweiterte Strukturierungsfunktionen bieten.

Durch die flexible Funktionalität der Maschine können elektronische Tinten in komplexe Konstruktionen abgelegt werden. Dadurch entsteht eine besser erreichbare Methode zur Herstellung von Elektronik in Forschungs-, Prototyping- und Bildungsanwendungen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten sie im Additive Manufacturing journal im Artikel mit dem Titel „Modular motion control software development to support a versatile, low-cost aerosol jet platform for printed electronics„.

Details zur Arbeit der Forscher

In vielen FFF-, Materialstrahl- und Blattlaminierungssystemen sind digitale Bewegungssteuerungssysteme eine Kernkomponente, auch in AJP-Setups. Mit den Geräten werden Werkzeugköpfe eines Systems während des Drucks ausgerichtet. Zugängliche Bewegungssteuerungssysteme sind aufgrund ihrer geringen Präzision weniger für AJP geeignet, die im Bereich von 10 bis 100 um arbeiten. AJP-MCUs müssen umfangreiche Multitasking-Aufgaben ausführen, zur Herstellung einer Elektronik mit kommerziellem Standard. Oft ist dabei teure Hardware nötig.

Hochleistungs-Mikrocontroller werden mit proprietärer Software erstellt, weshalb die Besitzer die Maschinen nicht für bestimmte Anwendungen anpassen können. Eine billigere Architektur und ein unterstützendes Echtzeitbetriebssystem (RTOS) der UTEP-Forscher soll das ändern.

Das AJP-System der UDEP

Als Basis für die neue Maschine dient eine Cortex-M4F- MCU von Texas Instruments im Wert von 40 USD. Ein integrierter UART-Sender und (I2C) -Schnittstellen ergänzen den Mikrocontroller mit ausreichender Kapazität zur Steuerung des 3D-Druckers. Gleichzeitig werden die Peripheriegeräte mit dem Bewegungssteuerungssystem synchronisiert.

Logo UTEP aus dem 3D-Drucker
Die Forscher druckten das Logo der Universität mit leitfähigen NP-Tinten (im Bild zu sehen) (Bild © Additive Manufacturing Journal).

Die MCU wurde in einen AJP-Drucker eingebaut, der mit einer 3-Achsen-Motorplattform, einem Relaismodul, einem mechanischen Verschluss und einem Ultraschallvernebler für die Tintenzerstäubung ausgestattet ist. Außerdem ergänzten sie ein Betriebssystem.

Nachdem die Maschine zusammengebaut war, testeten sie das System mit einigen symmetrischen Mustern aus silberner Tinte erfolgreich. Sie lagerten außerdem leitfähiges Silber in einen Serpentinenwiderstand ab und bewiesen die Eignung ihrer Maschine für anspruchsvollere Anwendungen. Die Maschine erreichte eine Druckauflösung von 50 um. Ein beheiztes Bett sollte die Tintenausbreitung ihrer komplexeren Testobjekte korrigieren und die Abscheidungsraten so besser kontrollieren.

Technische Details

SpezifikationDetails
Druckauflösung50 umTinte / Parameter abhängig
Druckgeschwindigkeit20 mm / sBei ~ 0,5 µm Schrittweite
Unterstützte DateienRS-274 GcodeBenutzerdefinierte M-Codes implementiert
Frequenz30 kHzPro Achse XY bidirektional
InterpolationLinearVorausschau in die zukünftige Entwicklung
Benutzerdefinierte MCU-BefehleProgrammatische Werkzeugwege möglich
Feedback-DatenMotorposition, MFC-DruckVom Benutzer konfigurierte Datenrate

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