Druk 3D sposobem na ochronę elektroniki przed wyładowaniami
Druk 3D zyskał nowe zastosowanie w elektronice przy wyładowaniach elektrostatycznych, dzięki czemu zostanie wykorzystane w bezpieczeństwie.
Wyładowania elektrostatyczne (ESD) stanowią poważny problem w przemyśle elektronicznym i chemicznym. W elektronice, ESD często powodują uszkodzenia układów scalonych na skutek gwałtownych wyładowań napięcia i prądu z naładowanych obiektów, takich jak ludzkie palce czy narzędzia. Dlatego zapewnienie odpowiedniej ochrony przed ESD jest kluczowe dla poprawnego funkcjonowania wrażliwych komponentów oraz zminimalizowania kosztów napraw i wymiany uszkodzonego sprzętu.
Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zastosowali techniki druku 3D do tworzenia rozwiązań ochronnych dla elektroniki, które obejmują pakowanie delikatnych komponentów w elastyczne pianki silikonowe. Drukowane struktury zapewniają zarówno ochronę mechaniczną, jak i elektryczną dla wrażliwych elementów elektronicznych, co może skutecznie minimalizować potencjalne uszkodzenia oraz redukować ryzyko urazów w miejscu pracy.
Druk 3D jest dynamicznie rozwijającą się metodą produkcji, która umożliwia tworzenie struktur z komórkowymi piankami o zindywidualizowanej architekturze porów. Taka technika pozwala na uzyskanie specjalnych właściwości mechanicznych, które minimalizują trwałe deformacje przez równomierne rozłożenie naprężenia w całej drukowanej strukturze. Przez dokładną kontrolę architektury druku, możliwe jest dostosowanie charakterystyki pianki do potrzeb ochrony komponentów elektronicznych.
W dodatku do precyzyjnej kontroli architektury, technologia daje możliwość stosowania niestandardowych żywic, które mogą być dostrojone do kontrolowania właściwości materiału, takich jak lepkość, plastyczność i sprężystość. W tym przypadku naukowcy zastosowali technikę bezpośredniego pisania atramentem (DIW – Direct Ink Writing) do drukowania specjalnych żywic silikonowych, które zapewniają zarówno ochronę mechaniczną, jak i elektryczną.
Technika DIW polega na ekstruzji pasty o kontrolowanych właściwościach reologicznych (takich jak elastyczność, plastyczność i lepkość) w warstwa po warstwie, aby zbudować trójwymiarowe struktury. Silikonowe żywice zostały wybrane ze względu na swoje liczne zalety: niską lotność, dobrą elastyczność oraz szeroką stabilność termiczną. Materiały te już wcześniej znalazły zastosowanie w technologii ubieralnej, robotyce miękkiej i innych komponentach strukturalnych.
Aby stworzyć ochronę ESD przy użyciu DIW, zespół badawczy przeprowadził eksperymenty mieszania, aby opracować unikalną formułę żąywicy silikonowej zawierającej koncentraty nanorurek węglowych (CNT) oraz modyfikatory reologiczne. Nanorurki węglowe są doskonałymi dodatkami przewodzącymi, które służą do kontrolowania gromadzenia ładunków elektrostatycznych, podczas gdy modyfikatory reologiczne pozwalają na drukowanie struktur o dostosowanej porowatości przy wysokiej rozdzielczości.
Wykorzystując opracowaną formułę, naukowcy wydrukowali strukturę ochronną ESD bezpośrednio na płytce drukowanej. Oprócz zapewnienia ochrony elektrycznej dla wrażliwych układów, struktura pełniła rolę poduszki amortyzującej. Skuteczność takiej ochrony została sprawdzona przez uderzenie płytki drukowanej młotkiem — mimo obciążenia, struktura funkcjonowała zgodnie z założeniami.
Chociaż naukowcy przyznają, że konieczne będą dalsze usprawnienia, to już obecnie wydrukowana struktura spełnia swoje zadanie. Takie rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie w specjalistycznym sprzęcie, takim jak urządzenia medyczne, robotyka oraz inne zaawansowane aplikacje technologiczne.
Przykład zastosowania druku 3D do ochrony przed ESD jest tylko jednym z wielu możliwych zastosowań tej technologii w elektronice. Druki 3D są wykorzystywane do tworzenia zindywidualizowanych obudów elektroniki, które są dostosowane do specyficznych potrzeb danego urządzenia, zapewniając lepszą ochronę mechaniczną i termiczną.
Warto też wspomnieć o zastosowaniach w produkcji anten o złożonej geometrii, które są w stanie poprawić jakość sygnału oraz wydajność komunikacyjną. Dzięki precyzyjnemu dopasowaniu do wymagań projektowych, możliwe jest uzyskanie lepszej efektywności niż w przypadku tradycyjnych metod produkcji.
Technologia DIW, stosowana do druku silikonowych pianek ochronnych, ma potencjał do wykroczenia poza ochronę elektroniki. Jest już stosowana w medycynie, na przykład do produkcji biokompatybilnych implantów o elastycznościach i właściwościach zbliżonych do tkanek ludzkich. Zastosowanie DIW do tworzenia struktur porowatych sprawia, że implanty mogą być lepiej przyjmowane przez organizm, co ma ogromne znaczenie dla leczenia urazów i chorób.
Druk 3D wykorzystywany już w firmach oraz przez osoby prywatne staje coraz większe kroki w produkcji masowej. Coraz więcej elementów jest tworzonych za pomocą podanej technologii i osoby, które miały pierwsze sceptyczne nastawienie, obecnie przekonują się do szybko rozwijającej się technologii druku.
Szymon Ślubowski
