3D printing of Stretchable Electronics

Abstract

A manufatura aditiva cresceu rapidamente na última década. Paralelamente, o campo da eletrónica impressa e extensível teve um enorme crescimento, devido a vários avanços na ciência dos materiais e na fabricação.Embora a impressão de eletrónicos flexíveis seja comum e já automatizada, o mesmo não acontece com eletrónicos elásticos. Isto deve-se ao uso de materiais novos e emergentes, como polímeros e compósitos poliméricos. É, portanto, interessante explorar métodos para impressão digital direta de materiais macios e circuitos elásticos, pois isso permite a fabricação rápida e automatizada de circuitos extensíveis.Entre as técnicas de impressão no campo da manufatura aditiva, a impressão por extrusão é a mais comum. É uma técnica de impressão de baixo custo, acessível e simples atualmente usada em muitas impressoras FDM acessíveis.Esta dissertação dedica-se assim à impressão digital de circuitos extensíveis através da impressão por extrusão de um compósito condutor. Este trabalho é construído com base numa plataforma de impressora 3D inicialmente projetada para impressão de eletrónicos, mas nunca funcional, e uma tinta condutora elástica desenvolvida e patenteada pela Universidade de Coimbra.Neste trabalho, concentrei-me no desenvolvimento dos sistemas eletromecânicos necessários que permitam a impressão por extrusão direta da referida tinta. Isso inclui design, desenvolvimento e atualização incremental, caracterização de uma unidade de extrusão de pasta, melhoria da mesa de impressão e atualização do aplicador de filme fino.Além disso, desenhei um fluxo de trabalho para converter o projeto do circuito num arquivo imprimível. Seguiu-se a impressão por extrusão da tinta condutora e a melhoria da qualidade de impressão através de várias iterações de design e otimização do sistema.Por fim, mostro exemplos de circuitos impressos pelo sistema desenvolvido e analiso a resolução de impressão.

Additive manufacturing has grown rapidly during the last decade. In parallel, the printed and stretchable electronics field has seen tremendous growth, owing to multiple advances in material science and manufacturing. While printing flexible electronics is commonplace and already automated, the same is not true for stretchable electronics. This is due to the use of novel and emerging materials, such as polymers and polymeric composites. It is therefore interesting to explore methods for direct digital printing of soft and stretchablecircuits, as this permit rapid and automated fabrication of stretchable circuits. Among the printing techniques in the additive manufacturing field, extrusion printing is the most common. It is a low-cost, accessible, and simple printing technique currently used in many accessible FDM printers. This dissertation is therefore dedicated to the digital printing of stretchable circuits through extrusion printing of a conductive composite. This work is built based on a 3D printer platform initially designed for printing electronics but never functional, and a conductive stretchable ink developed and patentedby the University of Coimbra.In this work, I have focused on the development of the necessary electromechanical systems that permit direct extrusion printing of the said ink. This includes design, incremental developmentupdating and characterization of a paste extrusion unit, an improvement on the printing bed, and updating the thin-film applicator.In addition, I designed a workflow for converting the circuit design into a printable file. This was followed by extrusion printing of the conductive ink and improving the print quality through various iterations of system design and optimization.Finally, I show examples of circuits printed by the developed system and analyze the printing resolution.