Una nuova tecnica di stampa ibrida 3D per l’elettronica indossabile integra inchiostri morbidi e elettricamente conduttivi e materiali matrici con componenti elettronici rigidi in un unico dispositivo da Harvard e l’US Air Force Research Laboratory

L’Istituto di Wyss di Harvard stampa una mini  elettronica indossabile con la ‘stampa ibrida 3D’

L’Istituto Wyss all’Università di Harvard e l’US Air Force Research Laboratory hanno collaborato a una nuova tecnica di stampa “ibrida 3D” per l’elettronica soft. La tecnica può essere usata per produrre dispositivi elettronici indossabili.

L’elettronica indossabile di grande marca come Apple Watch non è per tutti, ma non c’è dubbio che l’elettronica morbida svolge un ruolo importante nelle future innovazioni tecnologiche, soprattutto in settori come lo sport e l’analisi delle prestazioni umane.

Una nuova collaborazione tra l’istituto Wyss all’Università di Harvard e l’US Air Force Research Laboratory potrebbe essere destinata a portare l’elettronica indossabile al livello successivo, con le due istituzioni che creano una tecnica di produzione addizionale per l’elettronica morbida chiamata “stampa ibrida 3D”.

Il potenziale del nuovo processo potrebbe essere enorme. Secondo i ricercatori coinvolti, la stampa ibrida 3D integra inchiostri morbidi e elettricamente conduttivi e materiali matrici con componenti elettronici rigidi in un unico dispositivo stretchable.

I sensori elettronici possono essere stampati in 3D direttamente sul materiale morbido, mentre il processo può anche digitalizzare e sostituire i componenti elettronici e stampare le interconnessioni conduttive che completano la circuiteria elettronica necessaria per leggere i dati del sensore.

Importante, la tecnica potrebbe ridurre significativamente i tempi di produzione e i costi, e potrebbe produrre dispositivi più robusti.

“Con questa tecnica possiamo stampare direttamente il sensore elettronico sui componenti elettronici e digitali del materiale  e stampare le interconnessioni conduttive che completano la circuiteria elettronica necessaria per” leggere “il segnale dati del sensore in un colpo d’occhio” dice il primo autore Alex Valentine,  ingegnere presso l’Istituto Wyss.

Durante il nuovo processo di stampa 3D, un inchiostro conduttivo elastico realizzato in poliuretano termoplastico (TPU) miscelato con pagliette d’argento viene stampato su un supporto TPU, “fornendo il controllo completo su dove le caratteristiche conduttive sono modellate” e consentendo la costruzione di circuiti elettronici morbidi “Di quasi tutte le dimensioni e  forme”.

Il processo costringe  le pagliette d’argento nell’inchiostro conduttivo per allinearsi lungo la direzione di stampa in modo che i loro strati piatti e piastrini si sovrappongano.

“Poiché sia ​​il substrato che gli elettrodi contengono TPU, quando sono co-stampati strati per strato, essi aderiscono fortemente a vicenda prima dell’essiccazione”, spiega Valentine. “Dopo che il solvente si evapora, entrambi gli inchiostri si solidificano, formando un sistema integrato flessibile e stretchable”.

Un chip microcontroller programmabile e un dispositivo di lettura (per interpretare i dati del sensore in un modo che l’uomo possa leggerli) sono integrati nel sensore morbido usando il processo di pick-and-place digitale che applica un vuoto modesto attraverso un ugello di stampa vuoto.

Questo ugello di stampa a vuoto attraverso il quale viene generalmente erogato l’inchiostro può essere programmato per posizionare in modo preciso i componenti elettronici sulla superficie del substrato.

Ma i ricercatori hanno trovato un modo intelligente per assicurare che questi componenti elettronici rigidi rimangano compatibili con il dispositivo estensibile: un puntino di inchiostro TPU viene posto sotto ogni componente prima di attaccarlo al sottostante substrato TPU sottostante. Questi puntini TPU, se essiccati, ancorano i componenti rigidi e distribuiscono lo stress su tutta la matrice. Ciò significa che i dispositivi possono essere allungati fino al 30% pur mantenendo le proprietà.

Naturalmente, i lettori saranno più interessati a vedere esattamente quale stampe 3d ibride si possono fare e il team di ricerca ha presentato due prodotti dimostrativi veramente impressionanti.

Si tratta di un sensore di tensione, realizzato mediante la stampa di elettrodi in argento-inchiostro TPU su una base di tessuto e applicando un microcontrollore chip e LED di lettura con la tecnologia pick-and-place. Il risultato è un dispositivo  indossabile che consente di misurare con precisione quanto il braccio di un portatore sia piegato, indicando i risultati attraverso un display a LED. Questo dispositivo portatile potrebbe essere utilizzato per analizzare, ad esempio, una tecnica di lancio dell’atleta.

L’altro dispositivo, un sensore di pressione a forma di piede sinistro di una persona, è stato fatto “stampando strati alternati di elettrodi argento-TPU conduttivi e TPU isolante per formare condensatori elettrici su un substrato morbido TPU.” I modelli di deformazione nel dispositivo sono quindi visualizzati in una “mappa di calore” del piede quando l’utente passa sul sensore.

I ricercatori – Alexander D. Valentine, Travis A. Busbee, John William Boley, Jordan R. Raney, Alex Chortos, Arda Kotikian, John Daniel Berrigan, Michael F. Durstock e Jennifer A. Lewis – hanno pubblicato i loro risultati nella rivista Advanced Materials, in un documento intitolato “Stampa ibrida 3D di Soft Electronics”.

Lewis, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto, è il cervello dietro la stampante Kit 3D di Voxel8 Developer . Dice che il nuovo processo di stampa ibrida 3D è incredibilmente emozionante: “Riteniamo che questo sia un primo passo importante per costruire delle elettroniche personalizzabili indossabili che siano a basso costo e meccanicamente robuste”.

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