Ultrafast electrohydrodynamic 3D printing with submicrometer resolution

Author

Liashenko, Ievgenii

Director

Rosell Llompart, Joan

Codirector

Cabot Codina, Andreu

Date of defense

2020-07-16

Pages

196 p.



Department/Institute

Universitat Rovira i Virgili. Departament d'Enginyeria Química

Abstract

Les tecnologies de fabricació additiva (FA) per deposició capa-a-capa de material expel·lit des d’un broquet aporten una versatilitat excepcional, però estan limitades en termes de velocitat d’impressió i resolució. L’emissió electrohidrodinàmica (EHD) de dolls permet generar dolls líquids submicromètrics que poden assolir velocitats per damunt de 1 m/s. Malgrat això, tals dolls no es poden dipositar amb precisió submicromètrica damunt substrats mòbils, fins i tot emprant platines motoritzades d’alta gama, les quals no superen els ~30 m/s^2. Aquí demostrem una nova forma d’imprimir en la que la trajectòria del doll EHD s’ajusta contínuament assolint acceleracions laterals de fins a 10^6 m/s^2 mitjançant el control de voltatges en elèctrodes situats al voltant del doll. Mitjançant tècniques de visualització a alta velocitat, hem fet una anàlisi paramètrica sobre com els paràmetres d’aquests senyals i les configuracions del muntatge influeixen en la deflexió del doll. Hem desenvolupat software propi per generar els senyals de deflexió del doll per a imprimir figures 2D, així com objectes 3D amb elements submicromètrics. Tals objectes 3D han estat impresos per superposició de nanofibres a freqüències capa-a-capa de fins 2000 Hz. Les altes velocitats del doll i freqüències capa-a-capa assolides es tradueixen en velocitats de impressió de fins 0.5 m/s en horitzontal i 0.4 mm/s en vertical, que corresponen a entre tres i quatre ordres de magnitud més de pressa del que són capaces les altres tècniques de FA comparables en resolució. També hem emprat la deflexió electrostàtica de dolls per a desenvolupar un mètode nou per a la determinació de la velocitat de dolls EHD. A diferència dels mètodes previs, que es basen en analitzar la fibra impresa emprant microscòpia d’alta resolució, el nostre mètode es basa en el reconeixement d’imatge de les impressions de patrons preestablerts, permetent el seguiment in situ de la velocitat del doll. Finalment, en un estudi sobre impressió de dolls EHD lents de polímers fosos damunt substrats mòbils, demostrem que l’ajust del recorregut de la impressió per a cada capa dipositada permet expandir enormement la varietat d’estructures imprimibles i així manipular les seves propietats mecàniques.


Las tecnologías de fabricación aditiva (FA) por deposición capa-a-capa de material expulsado desde una tobera aportan una versatilidad excepcional, pero están limitadas en términos de velocidad de impresión y resolución. La emisión electrohidrodinámica (EHD) de chorros permite generar chorros líquidos submicrométricos que pueden alcanzar velocidades per encima de 1 m/s. Sin embargo, tales chorros no se pueden depositar con precisión submicrométrica sobre sustratos móviles, incluso usando platinas motorizadas de alta gama, las cuales no superan los ~30 m/s^2. Aquí demostramos una nueva forma de imprimir en la que la trayectoria del chorro EHD se ajusta continuamente alcanzando aceleraciones laterales de hasta 10^6 m/s^2 mediante el control de voltajes en electrodos situados alrededor del chorro. Mediante técnicas de visualización a alta velocidad, hemos realizado un análisis paramétrico sobre cómo los parámetros de estas señales y las configuraciones del montaje influyen en la deflexión del chorro. Hemos desarrollado software propio para generar las señales de deflexión del chorro para imprimir figuras 2D, así como objectos 3D con elementos submicrométricos. Tales objetos 3D han sido imprimidos por superposición de nanofibras a frecuencias capa-a-capa de hasta 2000 Hz. Las altas velocidades del chorro y frecuencias capa-a-capa alcanzadas se traducen en velocidades de impresión de hasta 0.5 m/s en horizontal y 0.4 mm/s en vertical, que corresponden a entre tres y cuatro órdenes de magnitud más rápido de lo que son capaces las otras técnicas de FA comparables en resolución. También hemos usado la deflexión electrostática de chorros para desarrollar un método novedoso para la determinación de la velocidad de chorros EHD. A diferencia de los métodos previos, que se basan en analizar la fibra impresa usando microscopía de alta resolución, nuestro método se basa en el reconocimiento de imagen de las impresiones de patrones predefinidos, permitiendo el seguimiento in situ de la velocidad del chorro. Finalmente, en un estudio sobre impresión en sustratos móviles de chorros EHD lentos de polímeros fundidos, demostramos que el ajuste del recorrido de impresión para cada capa depositada permite expandir enormemente la variedad de estructuras imprimibles y así manipular sus propiedades mecánicas.


Additive manufacturing (AM) technologies based on layer-by-layer deposition of material ejected from a nozzle provide unmatched versatility but are limited in terms of printing speed and resolution. Electrohydrodynamic (EHD) jetting uniquely allows generating submicrometer jets that can reach speeds above 1 m/s, but such jets cannot be deposited on a moving substrate with submicron accuracy even when using state-of-the-art mechanical stages, which are limited to accelerations below ~30 m/s^2. Here, we demonstrate a new printing approach in which the EHD jet trajectory can be continuously adjusted with lateral accelerations up to 10^6 m/s^2 via controlling voltages applied to electrodes positioned around the jet. Using high-speed imaging we have conducted a parametric analysis of how the deflection signal parameters and setup configurations influence the jet deflection. Custom-made software has been developed to generate jet-deflecting signals which control the jet to print 2D patterns, as well as 3D objects with submicrometer features. Such 3D objects have been printed by stacking nanofibers at layer-by-layer frequencies as high as 2000 Hz. The high jet speeds and layer-by-layer frequencies achieved translate into printing speeds up to 0.5 m/s in-plane and 0.4 mm/s in the vertical direction, which is three to four orders of magnitude faster than for other AM techniques providing equivalent feature sizes. We have also used electrostatic jet deflection to develop a novel method for determining the speed of EHD jets. Unlike all previous approaches, which rely on ex-situ high-resolution microscopy analysis of the printed fiber, our method is based on image recognition of predefined printed patterns, allowing in-situ monitoring of the jet speed. Finally, in an additional study on stage-based printing of slow EHD jets of polymer melts, we show that updating the printing path for each deposited layer enables to significantly expand the range of printable structures and thus manipulate their mechanical properties.

Keywords

Impressió 3D; electrohidrodinàmica; electrofilat de camp proper; Impresión 3D; electrohilado de campo cerca; 3D printing; electrohydrodynamics; near-field electrospinning

Subjects

53 - Physics; 62 - Engineering. Technology in general; 621 - Mechanical engineering in general. Nuclear technology. Electrical engineering. Machinery; 66 - Chemical technology. Chemical and related industries

Knowledge Area

Enginyeria i arquitectura

Documents

TESI Ievgenii Liashenko.pdf

8.311Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)