CC BY
2МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Фархутдинов М.М.1, Фетисов Л.В.2
Фархутдинов Мансур Мудаллифович - студент магистратуры, 2Фетисов Леонид Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедра электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский
государственный энергетический университет», г. Казань
Аннотация: статья рассматривает применение различных материалов для 3D печати в электротехнических устройствах, включая токопроводящие полимеры, композиты и специальные токопроводящие чернила с наночастицами серебра. Анализируются их электрические и механические свойства, а также обсуждаются методы их применения, такие как экструзия и аэрозольное напыление. Особое внимание уделяется материалам, обеспечивающим защиту от электростатического разряда (ESD), таким как PLA, ABS, PETG, Ultem, PPS, PVDF и POM, и их роль в конструировании корпусов электроники. В статье также представлены статистические данные, подчеркивающие значимость применения 3D печати и инновационных материалов в современной электротехнике. Ключевые слова: электротехнические устройства, 3d печать, токопроводящие полимеры, композиты, электростатический разряд, материалы, корпусы
УДК 655.3.004
Современные достижения в области 3D печати существенно изменили подход к производству и разработке электротехнических устройств. Этот метод позволяет не только значительно сократить время и затраты на производство, но и открыть новые возможности для создания сложных и функциональных компонентов. Технология 3D печати, также известная как аддитивное производство, включает в себя множество различных процессов и материалов, каждый из которых обладает уникальными свойствами и применениями.
С момента своего появления в 1980-х годах 3D печать эволюционировала от простой технологии для прототипирования до мощного инструмента для серийного производства. По данным исследования Wohlers Associates, мировой рынок 3D печати достиг $12.8 миллиардов в 2020 году и, как ожидается, продолжит расти со среднегодовым темпом роста более 25% в течение следующего десятилетия [1]. Значительная часть этого роста связана с развитием новых материалов, способных удовлетворить строгие требования электротехнических приложений.
Электротехнические устройства, такие как печатные платы, датчики, и элементы питания, требуют использования материалов с особыми электрическими, термическими и механическими характеристиками. Традиционные материалы, используемые в 3D печати, такие как полимеры и металлы, были адаптированы и модифицированы для удовлетворения этих потребностей. Современные композиты, включающие в себя проводящие и диэлектрические материалы, позволяют создавать устройства с интегрированными электронными функциями непосредственно в процессе печати.
Полимеры занимают важное место в 3D печати благодаря своей универсальности и разнообразию свойств. В контексте электротехнических устройств, полимеры могут служить как изолирующими, так и проводящими материалами, что позволяет создавать разнообразные компоненты от корпусов до сложных электронных устройств [2].
Полилактид (PLA) является одним из самых распространённых материалов для 3D печати. PLA является биодеградируемым материалом, что делает его экологически безопасным, легко печатается при относительно низких температурах (около 180-220°C), что снижает риск деформации, обладает хорошей жесткостью, но ограниченной прочностью и гибкостью, что делает его менее подходящим для приложений, требующих высокой механической нагрузки, имеет хорошие изоляционные свойства, что делает его подходящим для изготовления корпусов и изолирующих компонентов. Однако PLA имеет недостатки в виде низкой термостойкости (до 60°C), что ограничивает его применение в условиях высоких температур [2, 3].
Акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS) является более прочным и устойчивым материалом по сравнению с PLA. ABS обладает высокой ударопрочностью и гибкостью, что делает его подходящим для создания механически нагруженных компонентов, может выдерживать более высокие температуры (до 100°C), что расширяет его применение в электротехнических устройствах, он устойчив к воздействию многих химических веществ, включая масла и жиры, является хорошим изолятором, что позволяет использовать его для создания корпусов и защитных элементов [3]. AB S требует более высоких температур для печати (230-250°C) и может выделять вредные пары, что требует использования вентиляции или закрытых камер для печати.
Полиэфирэфиркетон (PEEK) - высокоэффективный полимер, который используется в критически важных приложениях. PEEK может выдерживать температуры до 250°C и кратковременные воздействия до 300°C, обладает высокой прочностью и жесткостью, устойчив к большинству химических веществ, обладает отличными изоляционными свойствами, что делает его подходящим для изготовления высокоэффективных изолирующих компонентов [3]. Однако, PEEK является дорогим материалом и требует высоких температур для печати (около 350-400°C), что ограничивает его применение.
Токопроводящие полимеры представляют собой класс материалов, способных проводить электрический ток благодаря своей уникальной молекулярной структуре. Например, полипиррол (PPy) демонстрирует проводимость порядка 103 S/m и стабильность в окисленных состояниях, что делает его пригодным для использования в батареях, конденсаторах и сенсорах. Полиацетилен (PA) имеет проводимость до 104 S/m, но его применение ограничено из-за нестабильности на воздухе. Политиофен (PT) и его производные, такие как поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), имеют проводимость около 105 S/m и используются в органических солнечных батареях и светодиодах благодаря своей хорошей проводимости и прозрачности. Полианилин (PANI) может достигать проводимости 102-103 S/m и применяется в антистатических покрытиях и сенсорах [3].
Полимерные композиты, наполненные токопроводящими материалами, сочетают механические свойства полимеров с проводящими свойствами наполнителей. Углеродные нанотрубки (CNT) обладают проводимостью до 107 S/m, механической прочностью порядка 1 ТПа и стабильностью. Полимерные композиты с CNT используются для создания гибких электронных устройств, антенн и экранирующих материалов. Графеновые композиты демонстрируют проводимость до 108 S/m, механическую прочность около 130 ГПа и термостойкость до 500°C, находя применение в транзисторах, сенсорах и суперконденсаторах [3, 4]. Добавление серебряных наночастиц улучшает проводимость композитов до 106 S/m и наделяет их антимикробными свойствами, что используется в медицинских устройствах и электронике.
Токопроводящие чернила на основе наночастиц серебра (AgNPs) стали популярным материалом для печати электронных схем благодаря своей высокой проводимости (до 106 S/m) и возможностям создания тонких, гибких и прозрачных слоёв. Эти чернила состоят из суспензии наночастиц серебра размером от 1 до 100 нанометров в растворе, который может быть нанесён на различные подложки методами струйной или трафаретной печати. Токопроводящие чернила с AgNPs используются для создания гибких печатных плат (FPC), сенсоров, RFID-меток и OLED-дисплеев. Например, применение этих чернил позволяет создавать электродные слои для сенсорных экранов с толщиной порядка 100 нанометров и прозрачностью до 90% [4]. По данным Grand View Research, рынок токопроводящих чернил оценивался в $2.34 миллиарда в 2020 году и прогнозируется, что он достигнет $4.11 миллиарда к 2028 году с среднегодовым темпом роста (CAGR) около 7.3%. Рост рынка обусловлен увеличением спроса на гибкие и печатные электронные устройства, которые требуют использования эффективных и экономически выгодных токопроводящих материалов [5].
Разработка корпусов для электронных устройств требует внимательного выбора материалов с учетом их химических, механических и электрических свойств. В этом контексте, материалы с защитой от электростатического разряда (ESD-Safe) играют ключевую роль в обеспечении надежной работы устройств. Одним из таких материалов является полиэтилентерефталатгликоль (PETG), который известен своей прочностью, прозрачностью и химической стойкостью. PETG обеспечивает не только защиту компонентов электроники, но и обеспечивает видимость внутренних деталей устройства. В то время как PETG подходит для устройств, нуждающихся в устойчивости к воздействию внешних факторов, полиэфиримид (Ultem) предлагает высокую термостойкость и механическую прочность [5, 6]. С другой стороны, полифениленсульфид (PPS) отличается высокой термической и химической стойкостью, что делает его идеальным выбором для корпусов, эксплуатируемых в агрессивных средах. Поливинилфторид (PVDF) выделяется своей высокой диэлектрической проницаемостью и химической стойкостью, что делает его идеальным материалом для корпусов и изоляторов, особенно в условиях влажности или воздействия агрессивных химических веществ, а полиоксиметилен (POM) привлекает внимание своей высокой механической прочностью и жесткостью, что делает его подходящим для создания механических компонентов и различных деталей в электротехнике, таких как контактные элементы и разъемы [6].
Таким образом, развитие новых материалов для 3D печати значительно расширяет возможности применения этой технологии в электротехнических устройствах. Использование токопроводящих полимеров, композитов и чернил с наночастицами серебра продолжает расширяться благодаря их уникальным свойствам и возможностям для интеграции в различные электротехнические устройства. Эти материалы играют ключевую роль в развитии новых технологий, способных удовлетворить растущие требования современной электроники и электротехники.
Список литературы
1. Добрынин С.П. Применение 3D-печати для создания высокоэффективных электронных компонентов //
Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ». - 2024. - Т. 1. - № 1 (70). С. 238-247.
2. Беседина К.С. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов (обзор) / К.С. Беседина, Н.А. Лавров, В.В. Барсков // Химия и технология высокомолекулярных соединений Известия СПбГТИ(ТУ). - 2018. - №44. - С. 56-63.
3. Абдуллин М.И. Токопроводящие полимерные композиции для 3D-печати / М. И. Абдуллин, А. А. Басыров, Н. В. Колтаев, Р. Р. Нагаев, Ю. А. Кокшарова // Бюллетень науки и практики. - 2016. - №4. -С. 44-50.
4. МухаметоваГ.М., Бузин Н.В., Киселев А.Г., Гриднев А.А. Токопроводящие чернила на основе комплекса серебра // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2023. - № 1. - С. 45-50.
5. Wu S.Y. 3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors / S.Y. Wu, C. Yang, W. Hsu, L. Lin // J. Microsystems & Nanoengineering. - 2015. - V.1. - N.1. - P. 1-9
6. Zweben C. Composite materials handbook. Polymer matrix composites guidelines for characterizations of structural materials. USA Department of defense, 2022, v.1, pp.78-83.
