Realizando alta taxa de estiramento de circuito ondulado flexível por meio de escultura a laser

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17745 (2022) Citar este artigo

664 acessos

Detalhes das métricas

O circuito ondulado extensível é um componente essencial em dispositivos flexíveis, que possuem amplas aplicações em diversos campos. No campo industrial, a capacidade de alongamento do circuito é um fator crucial para dispositivos flexíveis. Portanto, este estudo propõe o método de escultura a laser para aumentar a taxa de estiramento e a resolução do dispositivo flexível. Os resultados obtidos no experimento e na análise de elementos finitos verificam que o entalhe a laser no circuito ondulado aumenta a taxa de estiramento máximo do circuito ondulado. O modelo analítico obtido confirma que a escultura a laser gera seção inclinada no circuito ondulado e reduz a rigidez de flexão do ponto curvo do circuito ondulado. O estudo também verificou que o sulco esculpido a laser induz a propagação de rachaduras na direção vertical da direção do circuito, de modo que o circuito ondulado esculpido a laser tem menos probabilidade de desconectar do que o circuito ondulado não esculpido. Devido à rigidez de flexão reduzida e à indução de trincas, o circuito ondulado estica mais do que o circuito ondulado não esculpido convencional.

Dispositivos flexíveis têm ampla aplicação nos campos de pesquisa de dispositivos vestíveis1,2, robótica leve3, biossensores4,5 e captação de energia6. Por outro lado, no campo industrial, há poucas aplicações práticas; por exemplo, display dobrável/rolável7,8. Um dos materiais promissores para dispositivos elásticos é o compósito de nanofios de metal, que é amplamente estudado em outros lugares9,10,11,12,13,14,15,16,17, mas questões estruturais ainda permanecem no aprimoramento de dispositivos flexíveis. Uma das estruturas representativas utilizadas em dispositivos flexíveis é a estrutura em ilha, sugerida por Rogers et al. A parte rígida desta estrutura está localizada no centro e conectada a um circuito flexível 18,19,20,21,22. Como a parte rígida dessa estrutura não contribui para o alongamento da célula, a capacidade de alongamento do circuito é um fator crucial para dispositivos flexíveis. Várias estruturas de circuito, como kirigami23,24, hélice25 e enrugamento26,27,28, foram desenvolvidas para aumentar a taxa de alongamento máximo do circuito; no entanto, a maioria deles exigia técnicas de fabricação especializadas para obter dureza na adoção da produção em massa 29. A estrutura ondulada plana, desenvolvida por Rogers et al. 30,31,32 é a estrutura mais amplamente utilizada incorporada à produção em massa de dispositivos flexíveis. No entanto, também havia uma compensação entre a taxa de estiramento e a resolução do dispositivo33.

Para aumentar a taxa de estiramento e a resolução do dispositivo, foi sugerido um projeto de circuito ondulado inclinado33; no entanto, sua metodologia específica para adotá-los com produção em massa ainda não foi sugerida. Neste estudo, para aumentar a capacidade de alongamento e a resolução do dispositivo, o método de escultura a laser é sugerido para fabricar seção inclinada no circuito ondulado. Para verificar este estudo, os métodos experimentais e de simulação foram introduzidos com análise matemática.

A amostra de circuito ondulado inclinado foi preparada usando métodos de impressão 3D (Moment 160) e escultura a laser. A base do circuito para gravação a laser foi preparada imprimindo uma amostra de base ondulada, conforme mostrado na Fig. 1a). Para maximizar a ablação do laser na base impressa em 3D, o filamento de ácido poliláctico (PLA) de cor preta foi usado para impressão. O laser foi irradiado na base do circuito com seu comprimento de onda definido como 365 nm, potência definida como 1750 mW e tempo de ponto em cada local definido como 10 ms. A seção para o circuito ondulado foi ilustrada na Fig. 1a). Após a gravação a laser, o Au foi depositado no circuito ondulado impresso por meio de pulverização de íons (G20, GSEM) e sua espessura foi medida como 2–5 μm. O PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) foi selecionado como a matriz ao redor do circuito ondulado, e sua proporção de mistura entre o material principal e o agente de cura foi ajustada de 10 para 1. O agente de cura PDMS inicialmente misturado foi colocado em uma câmara de vácuo para 1 h a − 0,08 MPa da pressão padrão para remover as bolhas da mistura. A amostra do circuito ondulado esculpido a laser foi feita despejando a mistura de PDMS em um molde impresso em 3D, conforme mostrado na Fig. 1a). A espessura da matriz PDMS é definida como 4 mm.