Electrohydrodynamic jet printing: stability and reproducibility

Abstract

[eng] Additive manufacturing, also referred as 3D printing, is a layer-by-layer technique that allows producing three-dimensional objects directly from a digital model. It has enabled the fabrication of innovative products such as personalized implants, lightweight and cost-saving components for aviation and automotive industry, integration of electronics and sensors and so on. Among the different additive manufacturing approaches, we based our technology on: using solvent-based inks, which provides a true material versatility and makes virtually possible the fabrication of structures with any material and composition; electrohydrodynamic phenomenon, which permits the ejection of fast and thin polymeric fibers, also known as jets; and electrostatic deflection of the jet, which enables the control of the added material positioning during its travel from the drop towards the collector. This printing approach not only allows the precise deposition of the polymeric nanofiber and define accurately the patterning of fibers on the printing area, but also it gives the ability to print 3D structures by stacking different layers, one on top of the other, of the pattern geometry. The quality of the printed structures strongly depends on matching jet speed with the printing speed (which is determined by the jet deflection speed), and this approach not only allows defining easily the printing speed by modifying the jet deflection signal, but also it permits computing the jet speed by analyzing the printed structure dimensions. Additionally, a parametric study has been carried out to understand how operational parameters affect the jet dynamics, and how it can be tuned regarding our needs. Ink properties, processing parameters, setup design and ambient conditions are analyzed to understand their effect on the jet speed and diameter of the printed fibers. However, as this technique uses solvent-based ink, the evaporation of the solvent from the drop has a huge impact on the reproducibility and stability of the printing. At the time that the solvent evaporates, the drop properties change, and thus the speed in which the jet is ejected from the drop is also altered, preventing the printing of homogeneous patterns. For this reason, this thesis deals with different methods to improve the stability and reproducibility of the printing over time, analyzing the effect of the drop size and the dryness of its surface on the deposited patterns. Finally, this thesis shows the implementation of the electrostatic jet deflection in melt electrowriting technology, which is a different printing approach that uses inks based on molten polymers instead of solvent-based inks. The first step consisted in optimizing the experimental conditions to get thin and fast fibers. This regime allows deflecting the jet and controlling its positioning on the collector to print submicron fibers by controlling the electrical field around the jet.

[spa] Los sistemas de fabricación aditiva, también conocidos como sistemas de impresión 3D, son un conjunto de técnicas que construyen estructuras añadiendo capa a capa el material a utilizar, permitiendo elaborar objetos 3D a partir de un modelo digital. La fabricación aditiva ha permitido la producción de productos innovadores, tales como implantes personalizados, componentes ligeros y baratos para la industria de la aviación y automoción, sensores, aparatos electrónicos, etc. Entre los diferentes métodos de fabricación aditiva, nosotros hemos establecido nuestra tecnología de impresión 3D a partir de los siguientes enfoques: utilizar tintas en donde el polímero se disuelve en un solvente, ya que prácticamente permite fabricar estructuras con cualquier material y composición, ya que permite tener una gran versatilidad a la hora de escoger un material determinado; basarse en los fenómenos electrohidrodinámicos, que permiten la eyección de fibras poliméricas (jets) rápidas y delgadas; implementar la desviación electrostática del jet, que permite controlar el sitio exacto en donde se depositará la fibra sobre el colector. Nuestra tecnología de impresión 3D no solo permite la deposición precisa de fibras en el colector, sino también permite construir objetos 3D a partir de apilar, una encima de la otra, varias capas que representan la forma del objeto. Cómo de bien se imprimen las estructuras depende básicamente de igualar la velocidad del jet con la velocidad de impresión, que está definida por la velocidad en que se desvía el jet. Nuestra tecnología de fabricación aditiva no solo permite determinar fácilmente la velocidad de impresión a través de definir la señal de desviación del jet, sino también permite conocer la velocidad del jet a partir de medir sus dimensiones. Adicionalmente, se ha realizado un estudio paramétrico para entender cómo los parámetros operacionales afectan a la dinámica del jet, y cómo se puede variar la velocidad del jet según nuestros intereses. Las propiedades de la tinta, los parámetros operacionales, el diseño de nuestro sistema de impresión y las condiciones ambientales son analizadas para conocer su efecto en la velocidad del jet y en el diámetro de la fibra impresa. Sin embargo, esta técnica utiliza tintas en donde el polímero se disuelve en un solvente, por lo que la evaporación de dicho solvente tendrá un impacto importante en la estabilidad y la reproducibilidad de la impresión. Cuando el solvente se evapora, las propiedades de la gota cambian, y por lo tanto la velocidad en que el jet es eyectado desde la gota también cambiará, impidiendo la impresión de objetos homogéneos como consecuencia. Por este motivo, en esta tesis se analizan varios métodos para mejorar la estabilidad y reproducibilidad de la impresión durante el tiempo, examinando el efecto del tamaño de la gota y del secado de su superficie en los objetos impresos. Finalmente, en esta tesis se muestran los primeros resultados obtenidos al implementar la tecnología de desviación del jet utilizando polímeros fundidos en vez de disueltos en un solvente. El primer paso consistió en optimizar las condiciones experimentales para producir fibras finas y rápidas. Este régimen es el que permite desviar el jet y controlar su posicionamiento sobre el colector para imprimir fibras con diámetros cercanos a 1 micra a partir del control del campo eléctrico alrededor del jet.