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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3914 (2023) Citar este artículo

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Al combinar la fluidez líquida y la conductividad metálica, las aleaciones de galio-indio (Ga-In) están causando sensación en áreas como los circuitos electrónicos estirables y los dispositivos médicos portátiles. Debido a su gran flexibilidad, la impresión de escritura directa con tinta ya se emplea ampliamente para imprimir aleaciones de Ga-In. Actualmente, la extrusión neumática es el principal método de impresión directa de escritura con tinta, pero la piel de óxido y la baja viscosidad de las aleaciones de Ga-In dificultan el control después de la extrusión. Este trabajo propuso un método para la impresión directa con tinta de escritura de aleaciones de Ga-In utilizando extrusión impulsada por microvibraciones. La microvibración reduce la tensión superficial de las gotas de aleación de Ga-In y evita la aparición de gotas aleatorias durante la impresión. Bajo microvibración, la punta de la boquilla perfora la piel de óxido para formar pequeñas gotas que tienen una alta moldeabilidad. El proceso de crecimiento de las gotas se ralentiza significativamente al optimizar los parámetros de microvibración adecuados. Por lo tanto, las gotas de aleación de Ga-In con alta moldeabilidad se pueden mantener en la boquilla durante un período prolongado, lo que mejora la capacidad de impresión. Además, se obtuvieron mejores resultados de impresión con microvibraciones al elegir la altura de boquilla y la velocidad de impresión adecuadas. Los resultados del experimento demostraron la superioridad del método en términos de control de extrusión de aleaciones de Ga-In. Con este método, se mejora la capacidad de impresión de los metales líquidos.

Las aleaciones a base de galio, que son metales líquidos con puntos de fusión bajos, se usan comúnmente en electrónica flexible1,2, síntesis de materiales3,4, electrónica extensible5,6, sensores7,8 y otras áreas debido a sus propiedades físicas únicas. Las capacidades de moldeo de las aleaciones Ga-In se mejoran al combinar la tecnología de impresión 3D. Sin embargo, las aleaciones de Ga-In se oxidan rápidamente en el aire para formar una capa de óxido natural que es un material viscoelástico9. La piel de óxido domina las propiedades reológicas y reduce la tensión superficial10, que es la clave para lograr la impresión de aleaciones de Ga-In11. En el proceso de impresión 3D de aleaciones de Ga-In por extrusión neumática, la capa de óxido genera grandes gotas de aleación de Ga-In en la boquilla, lo que reduce la moldeabilidad12. Entonces, el proceso de extrusión es difícil de controlar. La dificultad de controlar la extrusión hace que las aleaciones de Ga-In generen gotas de tamaño aleatorio durante el proceso de impresión. Estas gotas de tamaño aleatorio afectarán los requisitos de resolución13,14 y conductividad15 de la estructura impresa. Por lo tanto, muchos investigadores han propuesto métodos para evitar la creación de gotas de tamaño aleatorio. Se adoptan tres métodos para ayudar a la extrusión neumática de metales líquidos.

La impresión se realiza rompiendo la piel de óxido mediante una fuerza externa. Cook et al.16 propusieron que las gotas se extruyeron pero no se dejaron caer mediante el control preciso de la presión de extrusión, y la fuerza de corte entre las gotas y el sustrato se usó para adherir los metales líquidos al sustrato. Ladd et al.17 rompieron la piel de óxido mediante la fuerza de tracción para formar alambres de metal líquido independientes. Sin embargo, el método de destrucción de la capa de óxido por fuerza externa suele presentar mayores requisitos para el proceso de impresión, como un control preciso de la altura de la boquilla. Las características reológicas de los metales líquidos se cambiaron combinando materiales metálicos o no metálicos, lo que permitió que el metal líquido mantuviera su forma incluso después de la extrusión. Wu et al.14 propusieron una tinta de microgel líquido mezclando microgel de alginato de sodio, que redujo la enorme tensión superficial y mejoró el rendimiento de la adhesión. Chan et al.13 sugirieron una pasta de metal líquido reciclable y reversible mediante la combinación de partículas de SiO2, que mejoró las propiedades de adhesión de los metales líquidos. Según Daalkhaijav et al.18, la adición de materiales conductores de nano o micro-níquel a los metales líquidos mejoraría su módulo elástico y su límite elástico, y permitiría la impresión en 3D. El problema del control preciso del metal líquido extruido se puede resolver de manera efectiva agregando otros materiales, pero la aplicación también está limitada por los materiales agregados. La impresión por coextrusión coaxial se logró rediseñando la estructura mecánica de la boquilla. Para obtener un flujo continuo y estable de metal líquido, Khondoke et al.19 desarrollaron una boquilla de coextrusión coaxial que podía envolver el metal líquido en un elastómero termoplástico y extruirlo. Wu et al.20 sugirieron una boquilla coaxial con la extensión de boquilla interna para envolver y extruir metal líquido de manera constante y eficaz, que podría adquirir una impresión de metal líquido de resolución múltiple. Pero la estructura 3D no se puede imprimir apilando gotas de metal líquido con este método. El método anterior resuelve parcialmente el problema de la piel de óxido en el proceso de impresión de metal líquido, pero el proceso de impresión, los materiales o las estructuras formadas de metal líquido están limitados hasta cierto punto. Con el fin de reducir la influencia de la piel de óxido en los resultados de impresión sin limitar el material o el proceso, propusimos un método de impresión 3D que genera microvibraciones para la extrusión de metal líquido. Usando este método, la piel de óxido de la gota se rompe cuando la gota no se expande a un tamaño suficiente. Este método evitará efectivamente la aparición de gotas aleatorias en la estructura de impresión.

Aquí, se propone un método de extrusión de aleaciones de Ga-In impulsado por microvibraciones para lograr la impresión. La tensión superficial se redujo bajo vibración de acuerdo con la medición de la tensión superficial de las gotas de aleación de Ga-In. La moldeabilidad de las gotas de aleación de Ga-In aumentó bajo vibración. La velocidad de extrusión de las gotas se puede controlar al valor deseado seleccionando los parámetros de vibración adecuados. Por lo tanto, las gotas con alta moldeabilidad pueden mantenerse en la boquilla durante el tiempo deseado. Las gotas grandes aleatorias en la pista de impresión se evitan sin la limitación de los materiales y el proceso de impresión.

Se eligió el galio-indio eutéctico (EGaIn) (%75 Ga, %25 In) como material de metal líquido. Se pesaron galio e indio en una proporción de 3:1 a una concentración de 99,99% cada uno. El galio se compró a East Hope Group Co., Ltd. El indio se compró a Zhuzhou Smelting Group Co., Ltd. Las propiedades físicas del EGaIn se muestran en la Tabla 1. Las propiedades de las gotas de EGaIn extruidas bajo microvibración determinan directamente la calidad de impresión Por lo tanto, se llevó a cabo la investigación experimental sobre la tensión superficial, la moldeabilidad, el tiempo de residencia de las gotas y la velocidad de extrusión de las gotas. Los experimentos de impresión EGaIn bajo microvibración también se realizaron para analizar la influencia de la altura de la boquilla y la velocidad de impresión en los resultados de impresión. Finalmente, se fabricó un sensor flexible utilizando el método de impresión 3D de metal líquido por extrusión por microvibración.

Como se muestra en la Fig. 1a, EGaIn se extruye desde la boquilla y se oxida rápidamente para formar una estructura de núcleo-capa en el aire. La piel de óxido hace que EGaIn forme una gota en la boquilla. Las Figuras 1b y c muestran el proceso de destrucción de la piel de óxido con el método impulsado por microvibraciones. Bajo la fuerza de vibración, la boquilla rompe la capa de óxido cercana, lo que hace que la gota caiga antes de tiempo cuando la capa de óxido no alcanza el límite de tensión de fluencia. Por lo tanto, la velocidad de extrusión y la moldeabilidad deseadas se pueden obtener seleccionando parámetros de vibración adecuados.

Principio de micro-vibración perforando la piel de óxido. (a) EGaIn forma una estructura de núcleo-capa en el aire. (b, c) Las microvibraciones hacen que la piel de óxido se rompa.

El equipo experimental consta de un mecanismo de microvibración, una cámara de alta velocidad y una impresora 3D, como se muestra en la Fig. 2a. El estado de EGaIn extruido fue registrado por una cámara de alta velocidad. La cámara de alta velocidad incluye el microscopio de análisis de movimiento VW-6000E y la unidad de zoom macro de larga distancia VW-Z2 de KEYENCE. Se eligió una impresora 3D Anet A8-Plus como mecanismo de control de movimiento. Se eliminó el sistema de alimentación del material de impresión de la impresora 3D original y se montó el mecanismo de microvibración en la posición. La figura 2d muestra el mecanismo de microvibración, que está compuesto por una plataforma de microdesplazamiento, un actuador cerámico piezoeléctrico y una abrazadera de expansión de cuña. La plataforma de microdesplazamiento se muestra en la Fig. 2c. El actuador cerámico piezoeléctrico se fijó en la plataforma para impulsar la mesa de trabajo. El controlador piezoeléctrico E00.D3 se utilizó para controlar los actuadores piezoeléctricos precargados en columna de bajo voltaje (PSt150/7/20) de Harbin Core Tomorrow Technology Co., Ltd. en China. La abrazadera de expansión en cuña se fijó en la mesa de trabajo y la jeringa se sujetó en la abrazadera de expansión en cuña. La boquilla de la jeringa tiene 0,5 pulgadas de largo y 0,2 mm de diámetro interior. La base conectaba el mecanismo de microvibración y la impresora 3D. La Figura 2b muestra la relación entre el voltaje de la cerámica piezoeléctrica y el desplazamiento de salida de la mesa de trabajo del mecanismo compatible. El voltaje de accionamiento de CC aumentó de 10 a 100 V en un intervalo de 10 V. El desplazamiento de la mesa de trabajo del mecanismo compatible se midió con el micrómetro LVDT de Harbin Core Tomorrow. En la impresión 3D de extrusión por microvibración para EGaIn, la señal de excitación sinusoidal \(V={V}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft\right)\) se aplicó al controlador cerámico piezoeléctrico , donde, \({V}_{0}\) es la amplitud del voltaje, \(f\) es la frecuencia. El desplazamiento de salida de la mesa de trabajo es \(X={X}_{0}\mathrm{sin}\left(2\uppi ft+\varphi \right)\), donde, \({X}_{0}\ ) es la amplitud, \(f\) es la frecuencia de vibración y \(\varphi\) es el ángulo de fase. La curva en la Fig. 2b propuso la relación entre \({X}_{0}\) y \({V}_{0}\).

Equipo experimental. (a) Composición del sistema experimental. (b) La relación entre el voltaje y el desplazamiento de salida. (c) Plataforma de microdesplazamiento. (d) Mecanismo de microvibración.

Una gota de EGaIn se suspende en el aire para equilibrar la gravedad y la tensión superficial. La relación adimensional de las fuerzas gravitacionales y de tensión superficial está definida por la relación21

donde, \(Bo\) denota el número de enlace, \(\Delta \rho\) es la diferencia de densidad entre el líquido y el fluido circundante, \(\mathrm{g}\) es la constante gravitacional de la Tierra, \(\ sigma\) es la tensión superficial y R es el radio de curvatura en el vértice de la gota.

Para expresar claramente la tensión superficial, la Ec. (1) se puede reescribir como

En la ecuación. (2), \(\Delta \rho\) y \(\mathrm{g}\) son conocidas. Si se determinan el número de enlace \(Bo\) y el radio de gota R en el vértice, se puede obtener la tensión superficial \(\sigma\).

\(Bo\) y R se pueden determinar haciendo coincidir el perfil de gota medido con un contorno de gota teórico calculado de acuerdo con la ecuación de Young-Laplace en el software de código abierto OpenDrop22. El proceso se muestra en la Fig. 3. En la Fig. 3a, la cámara de alta velocidad registra el cambio de las gotas a una velocidad de cuadro de 60 fps. Las imágenes experimentales de la cámara de alta velocidad se cargan en el software OpenDrop. La densidad EGaIn, la densidad del aire y el diámetro exterior de la boquilla se importan en OpenDrop y se extraen los perfiles de gota. \(Bo\) y R se obtienen minimizando la suma de los residuos cuadrados del perfil teórico de caída del colgante y los datos experimentales, como se muestra en la Fig. 3b. Y la tensión superficial \(\sigma\) se calcula mediante la ecuación. (2).

Proceso de adquisición de la propiedad de la gota de EGaIn (a) Extracción de la imagen de la gota de EGaIn. ( b ) Análisis de la propiedad de gotitas de EGaIn.

La capacidad de EGaIn para mantener una microestructura estable dentro de su capa de óxido a temperatura ambiente se denomina moldeabilidad12. El área de la superficie de la gota se indica como A, y el volumen de la gota se indica como V. La moldeabilidad aumenta con las proporciones A/V23. Por lo tanto, la ley de cambio de moldeabilidad puede reflejarse en la ley de cambio de A/V.

La solución ajustada de Young-Laplace también se puede usar para proporcionar datos adicionales, como el volumen V y el área de superficie A24

donde, la barra indica cantidades adimensionales, \(r\) son las coordenadas de la columna, \(\varphi\) es el ángulo tangente, \(s\) es la longitud del arco. Para comparar la moldeabilidad de las gotas, se interceptan 25 imágenes a medida que la gota crece y se calcula la moldeabilidad. El volumen V y el área superficial A de la gota se obtienen mediante la ecuación. (3). La relación de A/V se obtiene de la ecuación. (4).

La velocidad de extrusión del EGaIn también tiene un impacto en los resultados de impresión. Cuando la velocidad de extrusión es baja, el EGaIn no se extruye lo suficiente, lo que da como resultado que la estructura impresa se estire o se rompa. Cuando la velocidad de extrusión es alta, las huellas de impresión pueden presentar protuberancias o formar gotas. Por lo tanto, es necesario investigar el efecto de las microvibraciones en la velocidad de extrusión de EGaIn. La velocidad de extrusión promedio se puede calcular mediante la ecuación. (5),

donde, \(\overline{v }\) es la velocidad de extrusión promedio, t es el tiempo de extrusión, w es el peso de EGaIn extruido en t tiempo.

El proceso experimental específico es el siguiente,

El rango de amplitud de voltaje es de 10 a 100 V en intervalos de 10 V. La amplitud de voltaje se selecciona inicialmente como 10 V, repita el paso (2) para diferentes amplitudes de voltaje.

La frecuencia de vibración se selecciona de 100 a 600 Hz a intervalos de 100 Hz, repita los pasos (3)–(8) para diferentes frecuencias de vibración.

La jeringa se llena inicialmente con 50 g de EGaIn.

La extrusión previa se lleva a cabo bajo microvibración hasta que el EGaIn se puede extruir sin problemas.

El proceso de extrusión de EGaIn es registrado por una cámara de alta velocidad. El proceso de extrusión dura 20 s y se mide el peso del EGaIn extruido.

La velocidad de extrusión promedio se puede calcular mediante la ecuación. (5).

Después de extruir 2 g de EGaln, repita los pasos (5)–(7).

El EGaIn en la jeringa disminuye gradualmente hasta que no se puede extruir el EGaIn. El experimento está terminado.

Además de la propiedad de las gotas de EGaIn que afecta el resultado de la impresión, la velocidad de impresión y la altura de la boquilla también tienen un impacto importante en el resultado de la impresión. Seleccione 80 V y 400 Hz como parámetros de vibración de acuerdo con los resultados del experimento de las propiedades de las gotas. La altura de la boquilla desde el sustrato aumentó gradualmente de 0,03 a 0,08 mm y se observó la calidad de impresión. Seleccione la altura de boquilla adecuada de 0,05 mm, ajuste la velocidad de impresión de 0,5 a 2,5 mm/s y analice los resultados de impresión.

Basado en el método de impresión impulsado por microvibraciones, se creó el sensor de codo flexible. El proceso de impresión se muestra en la Fig. 4a. El material base del sensor flexible es gel de sílice Ecoflex. La construcción y las dimensiones del sensor se muestran en la Fig. 4b. Después de la impresión 3D, la pista EGaIn se empaquetó con gel de sílice, como se muestra en la Fig. 4c. Y la pantalla del multímetro de alta precisión muestra que el sensor tiene buena conductividad. El uso se muestra en la Fig. 4d.

Aplicación de impresión por microvibración. (a) Proceso de impresión para la estructura del sensor. (b) Tamaño de la estructura del sensor. (c) Pantalla de conductividad del sensor (d) Desgaste del sensor de codo.

Cada curva en la Fig. 5a yb representa la tendencia de la tensión superficial de las gotas de EGaIn durante la extrusión de gotas individuales. La Figura 5a muestra que el tiempo de extrusión de una sola gota disminuye gradualmente a medida que aumenta la amplitud de vibración. Y a diferentes amplitudes de vibración, la tensión superficial de las gotas tiende a estabilizarse. La tensión superficial de las gotas se reduce gradualmente a medida que aumenta la amplitud de la vibración. Cuando la amplitud de la vibración es pequeña, como 2,625 µm y 3,625 µm, el efecto sobre la tensión superficial no es evidente. Las gotitas todavía tienen una alta tensión superficial de alrededor de 600 mN/m. La mayor tensión superficial hace que EGaIn forme gotas durante el proceso de impresión, lo que afecta la calidad de impresión. Cuando la amplitud de vibración es grande, la tensión superficial de las gotas disminuye significativamente. Cuando la amplitud de vibración es de 9,65 µm, la tensión superficial de las gotas es de unos 350 mN/m. Por lo tanto, la punta de la boquilla puede perforar la piel de óxido más fácilmente cuando la amplitud de vibración es mayor. La figura 5b indica que el tiempo de extrusión de las gotas individuales disminuye a medida que aumenta la frecuencia de vibración. Esto significa que el aumento de la frecuencia de vibración puede ayudar a que la punta de la boquilla perfore la capa de óxido. La tensión superficial de las gotas disminuye gradualmente a medida que aumenta la frecuencia de vibración. La tensión superficial a 500 Hz y 600 Hz de frecuencia de vibración es de aproximadamente 330 mN/my 240 mN/m.

Tensión superficial y moldeabilidad. (a) Influencia de la amplitud de vibración en la tensión superficial de las gotas. (b) Influencia de la frecuencia de vibración en la tensión superficial de las gotas. ( c ) Influencia de la amplitud de vibración en la moldeabilidad de las gotas. (d) Influencia de la frecuencia de vibración en la moldeabilidad de las gotas. En el experimento, el peso del EGaIn en la jeringa es de 50 g.

La moldeabilidad se analiza analizando la regla de cambio de A/V porque la tendencia de cambio de la moldeabilidad es consistente con la de A/V. La figura 5c muestra que la capacidad de moldeo de la gota en general aumenta a medida que aumenta la amplitud de vibración durante el proceso de crecimiento de la gota individual. Cuando la amplitud de vibración es de 2,625 µm, 4,7 µm y 9,6 µm, el A/V varía en los rangos de [2,56–6,73], [2,64–7,84] y [3,06–9,25], respectivamente. Por lo tanto, el EGaIn tiene una mayor moldeabilidad a mayores amplitudes de vibración. Pero el tiempo de extrusión de las gotas individuales es corto a mayor amplitud de vibración. Se debe elegir una amplitud de vibración adecuada para que las gotas con alta moldeabilidad tengan un largo tiempo de residencia en la punta de la boquilla. Por lo tanto, se eligió una amplitud de vibración de 7,05 µm para los experimentos de impresión posteriores. La amplitud del voltaje sinusoidal de entrada correspondiente a la amplitud de 7,05 µm es de 80 V. La figura 5d muestra que a medida que aumenta la frecuencia de vibración, aumenta la moldeabilidad de la gota en general. Los rangos de variación de A/V son [2,77–8,76], [3,34–9,57] y [3,77–11,5] para frecuencias de vibración de 400 Hz, 500 Hz y 600 Hz, respectivamente. A medida que aumenta la frecuencia de vibración, disminuye el tiempo de extrusión de las gotas individuales. Es necesario seleccionar la frecuencia de vibración correcta para combinar la alta moldeabilidad con el largo tiempo de residencia. El A/V de las gotitas es muy similar a frecuencias de 400 Hz y 500 Hz. Sin embargo, la gota tiene un tiempo de residencia significativamente mayor a 400 Hz. Por lo tanto, se eligió una frecuencia de vibración de 400 Hz para los experimentos de impresión.

La Figura 6a muestra el proceso de extrusión de las gotas bajo microvibración. Los parámetros de vibración son una amplitud de vibración de 7,05 µm y una frecuencia de vibración de 400 Hz. La Figura 6b es el proceso de extrusión de EGaIn con presión de aire. La presión se controló usando una válvula reductora de presión y EGaIn se puede extruir a una presión de aire mínima de 11 kPa. En 20 s, se extruyeron 2,732 g de EGaIn bajo presión de aire y 0,08 g de EGaIn bajo vibración. Se puede calcular la velocidad de extrusión promedio bajo presión de aire y vibración. El accionamiento neumático fue 34,15 veces más rápido que la microvibración. Los tiempos de extrusión de gota individual bajo microvibración y presión neumática son 8 s y 2 s, respectivamente. La Figura 6c indica que las gotas tienen una alta tensión superficial bajo la presión del aire, alrededor de 600 mN/m. Sin embargo, la tensión superficial general es relativamente baja bajo vibración y la tensión superficial es de aproximadamente 430 mN/m cuando la gota alcanza el tamaño máximo. La Figura 6d muestra que los diversos rangos de A/V bajo microvibración y presión de aire son [2,48–8,05] y [3,23–16,48], respectivamente. Además, la moldeabilidad del accionamiento neumático disminuye más rápidamente que la del accionamiento por microvibraciones. Por ejemplo, el A/V de la gota disminuye rápidamente a 3,85 l/mm después de 0,5 s de extrusión bajo presión de aire. Bajo vibración, el A/V disminuye a 3,85 1/mm en los décimos, es decir, después de 6 s de extrusión. Esto indica que la microvibración reduce significativamente la velocidad de extrusión de EGaIn, lo que permite que las gotas con alta moldeabilidad permanezcan durante mucho tiempo en la punta de la boquilla, lo que mejora la capacidad de impresión de EGaIn.

Comparación de micro-vibración y neumática. (a) El proceso de extrusión EGaIn bajo microvibración. (b) El proceso de extrusión EGaIn bajo neumática. ( c ) Tensión superficial de la extrusión de gotas bajo microvibración y presión de aire. ( d ) Moldeabilidad de la extrusión de gotas bajo microvibración y presión de aire. En el experimento, el peso del EGaIn en la jeringa es de 24 g.

La Figura 7a indica que la velocidad de extrusión promedio de EGaIn aumenta a medida que aumenta la amplitud de vibración. La Figura 7b demuestra que la velocidad de extrusión promedio del EGaIn aumenta y luego disminuye a medida que aumenta la frecuencia de vibración, alcanzando un pico en una determinada frecuencia. La figura 7c muestra que la velocidad de extrusión promedio de EGaIn aumenta con el incremento del peso de EGaIn en la jeringa. Los experimentos de extrusión por microvibración anteriores se llevaron a cabo con una boquilla de 0,2 mm de diámetro interior. Con el fin de ampliar la gama de boquillas disponibles para la impresión, se midió la influencia de las boquillas de diferentes diámetros internos en la velocidad de extrusión promedio de EGaIn. Como se muestra en la Fig. 7d, la velocidad de extrusión promedio de EGaIn aumenta a medida que aumenta el diámetro interior de la boquilla.

Influencia de los parámetros de vibración, peso y diámetro interior de la boquilla en la velocidad de extrusión. (a) Influencia de la amplitud de vibración en la velocidad de extrusión promedio. (b) Influencia de la frecuencia de vibración en la velocidad de extrusión promedio. (c) Influencia del peso del EGaIn en la jeringa sobre la velocidad de extrusión promedio. ( d ) Influencia de diferentes diámetros internos de boquilla en la velocidad de extrusión promedio.

Según la Fig. 8a, el EGaIn extruido generó gotitas sobre el sustrato cuando la altura de la boquilla era superior a 0,05 mm. Cuando la altura de la boquilla era demasiado baja, la pista EGaIn impresa era más delgada porque las gotas no alcanzaban el tamaño suficiente. El efecto de la velocidad de impresión sobre la impresión se muestra en la Fig. 8b. Cuando la velocidad de impresión era inferior a 1 mm/s, se formaban gotas en el sustrato porque la boquilla permanecía en la misma posición durante demasiado tiempo. A medida que aumenta la velocidad de impresión, se reduce el tiempo de permanencia de la boquilla en la misma posición. El EGaIn del sustrato se volvió más delgado y, en ocasiones, se interrumpió la pista de impresión. Por lo tanto, la velocidad de impresión fue de 1 mm/s, y la altura de la boquilla se eligió como 0,05 mm. Los parámetros de impresión y los parámetros de vibración anteriores se aplicaron para imprimir diferentes pistas EGaIn, como se muestra en la Fig. 8c-e. El efecto de impresión es bueno, lo que verifica aún más la eficacia del análisis anterior.

Experimento de impresión 3D de EGaIn impulsado por microvibración. (a) Pista de impresión utilizando varias alturas de boquilla, velocidad de impresión: 1 mm/s. Vibración variable: 80 V, 400 Hz, 24 g. (b) Pista de impresión utilizando varias velocidades de impresión, altura de la boquilla: 0,05 mm. Vibración variable: 80 V, 400 Hz, 24 g. c) Estrella de cinco puntas. (d) Círculo concéntrico. (e) Línea espiral.

Se propuso un método de impresión 3D de EGaIn impulsado por microvibraciones. Con este método, la punta de la boquilla perfora la capa de óxido de las gotas de EGaIn extruidas, lo que mejora el tiempo de las gotas de EGaIn para mantener una alta moldeabilidad en la punta de la boquilla y evita la generación de gotas grandes aleatorias en el proceso de impresión. Las conclusiones específicas son las siguientes,

Se construyó un sistema de impresión 3D impulsado por microvibraciones para EGaIn. La vibración de la cerámica piezoeléctrica se transmitió a la jeringa mediante un mecanismo compatible, y el proceso de extrusión de gotas de EGaIn bajo acción de microvibración se obtuvo mediante una cámara de alta velocidad.

Los resultados del experimento muestran que con el aumento de la frecuencia y amplitud de la vibración, la tensión superficial de las gotas de extrusión disminuye, la moldeabilidad aumenta y el tiempo de retención de las gotas en la boquilla disminuye. Combinando la moldeabilidad, la tensión superficial y el tiempo de residencia de las gotas, se seleccionaron como parámetros de vibración una amplitud de voltaje de entrada de 80 V y una frecuencia de vibración de 400 Hz. Al comparar las propiedades de las gotas bajo conducción por vibración y conducción neumática, la tensión superficial de las gotas de EGaIn bajo microvibración es pequeña, la moldeabilidad es alta y el tiempo de retención de las gotas líquidas es largo. Todos estos son beneficiosos para controlar el EGaIn durante la extrusión.

Los efectos de la velocidad de impresión y la altura de la boquilla en los resultados de impresión se estudiaron a través del experimento de impresión 3D EGaIn. Se lograron buenos resultados de impresión cuando la velocidad de impresión fue de 1 mm/sy la altura de la boquilla fue de 0,05 mm. El sensor de codo flexible se fabricó mediante impresión 3D de microvibración EGaIn en gel de sílice, lo que verificó la viabilidad de este método en la fabricación de sensores flexibles.

El método de impresión 3D asistido por microvibración para la extrusión de EGaIn resolvió el problema de las gotas aleatorias en la estructura de impresión. Al mismo tiempo, el método no está limitado por el proceso de impresión, los materiales o las estructuras conformadas de metal líquido. Proporciona una nueva idea para la impresión 3D de metal líquido.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 51775078) y el Proyecto Especial Clave de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Liaoning (Subvención Nº 2022JH1/10800020).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Dalian Jiaotong, Dalian, 116028, República Popular China

Sheng Lin, Long Zhang y Liang Cong

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LZ diseñó y realizó los principales experimentos. SL y LZ analizaron los datos experimentales y produjeron las figuras y tablas experimentales. El manuscrito fue examinado por todos los autores.

Correspondencia a Long Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lin, S., Zhang, L. & Cong, L. Un método de impresión de escritura de tinta directa impulsado por microvibración de aleaciones de galio-indio. Informe científico 13, 3914 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31091-z

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Recibido: 15 Diciembre 2022

Aceptado: 06 marzo 2023

Publicado: 08 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31091-z

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