構造と機能の組み合わせ - 構造エレクトロニクスで 3D プリントはどのように使用されるのでしょうか?

構造電子機器とは、その構造またはその一部の構成要素が電子機器の機能も備えている製品を指します。わかりやすい例を挙げてみましょう。飛行機の客室の窓が乗客に情報を提供するためのディスプレイ画面としても機能する場合、このディスプレイ画面機能を備えた窓は構造的電子機器です。別の例を挙げると、携帯電話のケースが無線信号を受信するためのアンテナの機能も備えている場合、携帯電話のケースも構造的電子機器である。

飛行機や携帯電話などの構造に電子機器の機能を持たせるにはどうすればいいのでしょうか？これを実現するには、これらの構造物にいくつかの回路とセンサーを埋め込む必要があることは誰もが想像できると思います。近年徐々に発展してきた電子3D印刷技術は、従来のスクリーン印刷やフォトリソグラフィー技術に取って代わり、構造的な電子デバイスを製造することができます。特に、非平面の表面や複雑な構造と狭いスペースを持つ物体に電子回路や回路を印刷するのに適しています。今号では、Optomec のエアロゾルジェット 3D 印刷技術を例に、3D 印刷技術が構造エレクトロニクスの分野でどのように応用されているかを見ていきます。

技術的特徴<br /> 構造エレクトロニクスの具体的な用途を理解する前に、まず図を使って、エアロゾルジェット 3D 印刷技術の技術的特徴、利点、および応用方向を理解しましょう。

· 高品質の材料堆積<br /> 材料の堆積の品質は、インクとそれが印刷される基板、および基板の粗さに関係します。 Optomec の Aerosol Jet 3D 印刷技術は、基板とインクの物理的および化学的特性を変更しません。同社の5軸3Dプリント装置は、プリント材料を高密度のエアロゾル液滴に霧化することで機能します。この液滴は不活性ガスと混合され、プリントヘッドから押し出されて固まります。この装置は、導電性インク、接着剤、ポリマー、誘電体、接着剤など、幅 10 ミクロンから 1 mm までの材料を印刷し、表面が凹凸のある電子部品やプリント基板を製造することができます。この技術により、より小型で高性能なモバイル電子機器の印刷が可能になる可能性がある。

· 室温での回路印刷<br /> 「技術的特徴」では、エアロゾルジェット 3D プリンティング技術により、さまざまな基板上に低温回路印刷を実行できることがわかります。金属インクを使用して回路を作成する場合、通常は 250 度以上の温度が必要になるためです。しかし、融点が低い基板の場合、そのような高温では表面に回路を印刷することが不可能です。例えば、ポリエステル素材が耐えられる最高温度は100℃ですが、250℃の高温にさらされると溶けてしまい、回路の製造が不可能になってしまいます。低温回路印刷技術を使用することで、ポリエステル素材の表面に回路を印刷することが可能です。したがって、エアロゾルジェット 3D 印刷技術は、低融点の多くの基板上に回路を印刷するために使用できます。

構造エレクトロニクスの主な用途

曲面へのセンサーの印刷<br /> エアロゾルジェット技術は、非平面基板上に材料を堆積させることができるため、軍事分野で使用されるセンサーの印刷にソリューションを提供します。印刷中、プリントヘッドは基板に接触することなく基板上に材料を塗布するため、基板の構造に応じて回路の構造を設計し、印刷することができます。

段付き射出成形金型内のセンサー（20ミクロン）
スウォンジー大学の研究者は、オプトメックのエアロゾルジェット技術を使用して、ジェットエンジンのコンプレッサーブレードの表面にひずみセンサーと光学クリープセンサーを直接印刷しました。研究者たちは、レーザー検査システムと光学測定用センサーを使用して、部品のクリープの程度を 10 ナノメートル以内で判定することができました。ウェールズ印刷コーティングセンター（WCPC）の研究者たちは、これによりブレードの状態を監視し、燃料効率を改善し、エンジンをより低温で稼働させることができると考えている。

センサーの印刷プロセスは、ナノ銀導電性インクを霧化することから始まります。その後、インクは同軸の流量でノズルから基板に向けて噴射されます。吹き付けられた材料によって形成された形状は、CNCコマンドによって完成されます。基板は固定されたままですが、堆積ヘッドと基板間の距離は一定に保たれ、材料が指定された領域に正確に堆積されることが保証されます。導電性インクを指定された領域に塗布し、熱処理すると、センサーは導電性と機械的特性の両方を備えるようになります。

曲面へのアンテナの印刷

コンフォーマルアンテナを印刷する従来の方法は、まずポリイミドシート上にアンテナ要素を印刷し、次にシートを複合層に接着することです。ただし、このプロセスは平面構造のアンテナを印刷する場合にのみ適しており、印刷後に組み立てが必要になります。エアロゾルジェット 3D 印刷技術は、アンテナ素子を曲面構造に直接印刷できます。曲面の形状に応じてアンテナを「自由に」印刷できるだけでなく、回路と構造を直接統合できるため、その後の組み立てプロセスが不要になります。

Lite-On はこの技術を使用して 3D アンテナを電子製品のハウジングに印刷し、設計の柔軟性を最大限に高め、最適な製品構成とパフォーマンスを確保し、より薄くて軽い製品設計を実現します。

スマートウェアラブルデバイスも、エアロゾルジェット 3D 印刷技術の応用分野です。英国の科学研究機関では、この技術を使ってスマートブレスレットを印刷しています。このブレスレットは、宝石店で販売されているブレスレットとは異なり、アンテナと RFID テクノロジーが統合されており、追跡機能と識別機能を備えた、ウェアラブルなスマートデバイスです。ブレスレットに組み込まれたアンテナは、エアロゾルジェット 3D 印刷技術を使用して製造され、ブレスレットの「本体」に直接印刷されるため、機能的なブレスレットを得るために後で組み立て作業を行う必要はありません。これは、カスタマイズされたウェアラブルデバイスの分野におけるエアロゾルジェット 3D 印刷技術の探求です。例えば、患者が着用するブレスレットは、ブレスレットに印刷されたアンテナを通じて地元の WiFi ホットスポットに接続でき、患者のデータをいつでも医師に送信できます。

3D Science Valleyから転載

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