Sains & Teknologi

Teknik Pencetakan 3D dengan Logam Cair Ditemukan

Dalam makalah High Resolution, reconfigurable printing of liquid metals with three-dimensional structures peneliti Young-Geun Park, Hyeon Seok An, Ju-Young Kim, dan Jang-Ung Park mengeksplorasi teknik baru pencetakan 3D dengan logam cair. Peneliti dapat membuat integrasi 3D ‘elastis’ yang dibentuk menjadi ‘beragam struktur 3D’. Sebagai contoh dalam penelitian ini, mereka membuat antena yang dapat dikonfigurasi ulang.

Pencetakan logam cair resolusi tinggi. (A) Ilustrasi skematis dari sistem pencetakan. (B) SEM gambar pola EGaIn resolusi tinggi 2D dan 3D. Bilah skala, 100 mm. Inset: Gambar SEM diperbesar dari struktur 3D. Bilah skala, 100 mm. (C) Gambar AFM dan profil penampang garis EGaIn yang dicetak. Bilah skala, 2 mm. (D) Gambar SEM dari pola EGaIn selebar 1,9 mm. Bilah skala, 10 mm. (E) Gambar SEM dari pola 3D EGaIn pada film PET dan epoksi (SU-8). Bilah skala, 10 mm. (F) Foto pola EGaIn resolusi tinggi yang dicetak dalam (B). Bilah skala, 1 cm. (G) Foto pola interkoneksi EGaIn. Inset: Foto tampilan teratas. Skala bar, 5 mm. (H) Mikrograf optik dari garis EGaIn yang dicetak sesuai dengan kecepatan pencetakan. Bilah skala, 40 mm. (I) Plot lebar garis versus kecepatan pencetakan. (J) Plot lebar garis versus diameter dalam nozel. Bilah galat di (I) dan (J) menunjukkan SD. (Kredit foto: Young-Geun Park, Yonsei University).

Deformitas pada perangkat adalah fokus di sini, berpusat di sekitar aplikasi dalam ‘elektronik bentuk bebas’ seperti:

  • Elektronik yang dapat diregangkan
  • Elektronik yang bisa dikenakan di tubuh (wearable)
  • Aktuator lunak ( peralatan mekanis untuk menggerakkan atau mengontrol sebuah mekanisme atau sistem.)
  • Robotika

Sebelumnya, ada tantangan dalam menemukan bahan yang cocok untuk perangkat seperti itu yang membutuhkan komponen bergerak yang juga cocok untuk konsumen, atau mudah dimanipulasi sebagai objek fungsional. Para penulis menunjukkan bahwa kerapuhan sering menjadi masalah, meskipun bahan konduktif telah dikembangkan seperti logam bergelombang, jaringan logam, dan berbagai komposit. Meskipun menjanjikan, metode seperti itu tidak selalu scalable untuk pencetakan 3D, dan resolusi mungkin menjadi masalah.

Menggunakan teknik pencetakan 3-D untuk mengkonfigurasi ulang antena koil persegi. 
Kredit: Science Advance

Para peneliti membahas logam cair seperti eutectic gallium-indium alloy (EGaIn) dan gallium-indium-tin alloy (Galinstan), keduanya bahan yang dapat diregangkan yang juga menunjukkan tingkat toksisitas yang rendah dan volatilitas yang sangat sedikit. Dibandingkan dengan logam padat, mereka juga menunjukkan konduktivitas yang sangat baik. Sementara mikrofluida atau litografi dapat digunakan untuk memodelkan logam cair, strukturnya terbatas pada bidang 2D. Menggunakan nosel halus untuk mencetak logam cair dalam kondisi sekitar, peneliti dapat membuat struktur resolusi tinggi. Penggunaan filamen logam memungkinkan struktur yang berdiri bebas dibuat dari logam cair; bahkan, mereka bahkan dapat diangkat oleh nosel dan dipindahkan.

Rekonfigurasi logam cair menjadi struktur 3D. (A) Ilustrasi skematis dari setiap langkah konfigurasi ulang. (B) Ilustrasi skematik dari dua gaya adhesi selama konfigurasi ulang. (C) Foto lift-off (kiri) dan cutoff (kanan) EGaIn dari substrat. Bilah skala, 100 mm. (D) Plot dari keadaan garis versus kecepatan angkat nosel. (E) Mikrograf optik konfigurasi ulang. Garis horizontal yang dicetak (kiri) diangkat dan dikonfigurasi ulang (kanan). Skala bar, 200 mm. (F) Gambar SEM dari gulungan persegi yang dikonfigurasi ulang. Ujung garis dalam pada koil persegi (kiri) diangkat dan dikonfigurasi ulang (kanan). Skala bar, 200 mm. (G) Gambar SEM jembatan 3D EGaIn. Bilah skala, 500 mm. Inset: Gambar SEM diperbesar dari jembatan 3D. Bilah skala, 200 mm. (H) Plot bias yang diterapkan dan menanggapi kepadatan saat ini di EGaIn.  (Kredit foto: Young-Geun Park, Yonsei University).

Antena resolusi tinggi dicetak 3D sebagai sampel untuk penelitian, menggunakan nozzle yang dipasang ke jarum suntik, dan substrat ditempatkan pada aksis. Tim ini juga menciptakan struktur elektroda yang berdiri bebas, memungkinkan untuk meminimalkan interkoneksi untuk perangkat miniatur.

“Kami percaya bahwa metode konfigurasi ulang 3D resolusi tinggi ini menawarkan strategi yang menjanjikan sebagai proses tambahan yang dapat dikombinasikan dengan teknik fabrikasi konvensional untuk perangkat yang sangat terintegrasi dan dapat diregangkan, yang mengindikasikan janji besar untuk digunakan dalam elektronik generasi mendatang,” kata para peneliti.

Sementara banyak pengguna industri menikmati manfaat seperti kemampuan untuk membangun geometri kompleks yang kuat namun ringan, logam sedang dieksplorasi sebagai media terkuat untuk pencetakan 3D, baik dalam menciptakan biomaterial logam berpori, produksi lembaran logam otomatis, atau logam dipatenkan dengan tinggi kandungan karbida .

Kontak listrik dari logam cair yang dicetak langsung dan dikonfigurasi ulang. (A) Ilustrasi skematis pencetakan langsung (kiri) dan konfigurasi ulang (kanan). (B) Ketergantungan total perlawanan pada panjang saluran. Bilah galat mewakili SD. (C) Karakteristik tegangan-arus antara bantalan Ag dan EGaIn yang dicetak langsung. (D) Karakteristik tegangan arus antara bantalan Ag dan konfigurasi ulang EGaIn. (E dan F) SEM gambar EGaIn pada pad Ag setelah 7 jam pencetakan langsung. (G dan H) SEM gambar EGaIn setelah 7 jam konfigurasi ulang. Skala bar, 200 mm. (Kredit foto: Young-Geun Park, Yonsei University).