3D печать гибких электромеханических сенсоров.

Электроактивные полимеры являются относительно новыми материалами и широко изучаются в течение последних десятилетий. Полимеры с пьезоэлектрическими свойствами (например, ПВДФ и сополимеры на его основе) представляют большой интерес ввиду возможности сочетать их технологические свойства с высокими электрофизическими характеристиками. Интерес к ПВДФ, возникший в шестидесятых годах XX века с момента обнаружения его пьезоэлектрических свойств, и на сегодняшний день остается достаточно высоким. В частности, основным ожидаемым направлением применения ПВДФ и его сополимеров в области электроники являются устройства с энергонезависимой памятью (FeRAM), которые, в сравнении с флеш-памятью, обладают более высокой плотностью записи и быстродействием. Также, среди перспективных направлений – пиро- и пьезоэлектрические устройства, микроэлектромеханические системы (или МЭМС), органические солнечные элементы, робототехника. 

В настоящее время для формирования тонких пленок ПВДФ и сополимеров на его основе используются различные методы, такие как литье на подложку, метод Шепера, метод растяжения, напыление вакуумными методами. Каждый из этих методов имеет свои ограничения и недостатки, такие как низкая технологичность, низкая воспроизводимость свойств или малая площадь получаемых плёнок.    

В конце 2018г Сергей Дубков, с.н.с. института ПМТ МИЭТ, предложил аддитивный метод формирования тонких пленок ПВДФ, используя технологию FFF. Для этой задачи команда выбрала принтер Designer X PRO компании PICASO 3D. В результате ученые получили пленку размером 20*30 мм и толщиной ~10 мкм, которую протестировали совместно с коллегами из Университета Дуйсбурга на пьезоэлектрические свойства после поляризации. Тесты показали стабильность эффективных свойств плёнки после поляризации - 20 часов.

Аддитивное производство тонких плёнок ПВДФ имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами формирования:

1. Возможность получения плёнок больших размеров. Площадь рабочей области на Designer X PRO - 20 х 20 см (400 см2). На сегодняшний день получить ПВДФ пленку таких размеров без увеличения ее толщины никаким другим способом невозможно. Чем тоньше пленка, тем более эффективно она проявляет пьезоэлектрические свойства, что особенно важно для применений в высокочувствительных сенсорах.
2. Низкая стоимость производства. Оборудование, используемое для традиционных методов формирования плёнок как правило стоит на порядок дороже 3D принтера. Так например оборудование для растягивания стоит от 20 млн. руб., для розлива - от 300-500 тыс. рублей, стоимость используемого в работе 3D принтера Designer X PRO - 299 тыс. руб. Получается, что для мелкосерийного производства, 3D принтер позволит прилично сэкономить на оборудовании.
3. Возможность формировать готовые структуры. Например, одновременная печать с электропроводимым материалом. Это значительно сократит расходы на создание датчиков с элементами пьезоэлектрической пленки за счет уменьшения расходов на постобработку (пайку, резку, клейку датчика в готовое изделие и т.д.). Настоящий метод в данный момент изучается Сергеем и его командой.

Для формирования филамента для 3D печати использовался порошок поливинилиденфторида в виде гранул, который проходил процесс экструзии с использованием специальных, модернизированных сопел диаметром от 1,3 до 1,7 мм (для определения оптимального режима для получения нити толщиной 1, 75 мм). Для подбора оптимальных параметров печати, визуальной демонстрации результатов и подготовки задания на печать использовалась программа Polygon X.  

Процесс подбора параметров экструзии и печати подробно описан в оригинальной статье.

На фото представлен элемент из 6 слоев ПВФД:Применение 3D печати для производства тонких ПВДФ пленок открывает перспективы не только для серийного производства пьезоэлектрических сенсоров, которые сами по себе имеют широкий спектр применения (измерение вибрации в портативных медицинских детекторах, контроль состояния конструкций, измерение вибрации механического оборудования и т.д.), но и новые возможности исследования и применения данного материала в других сферах. Благодаря своим физико-химическим свойствам изделия из ПВДФ обладают высокой прозрачностью и, соответственно, им может быть придан любой цвет. Также продукции из ПВДФ присуще высокая гибкость и прочность. 

Почему для данного эксперимента выбрали принтер Designer X PRO?

Мы знакомы с компанией PICASO 3D уже много лет. Оборудование этой компании выполняет то, что заявляет производитель и удобно в использовании. Plug&Play позволяет легко работать со всеми коммерческими материалами, без потери времени на настройки. Конечно же, если дело касается экспериментальных материалов, то требуется дополнительное время на подбор оптимальных условий печати, но и на этот случай в программном обеспечении Polygon X есть возможно удобно и быстро создавать собственные профили материалов.

Фотографии предоставлены Сергеем Дубковым. Связаться с ним можно по электронной почте sv.dubkov@gmail.com

P.S. Также мы попросили Сергея отвечать на комментарии под этой статьей, чтобы у пользователей портала была возможность задать вопросы напрямую автору исследования.