3B basılabilir elektronik devreler için iletken parçacıksız gümüş mürekkep kullanan bir eklemeli imalat sisteminin geliştirilmesi ve basım kalitesinin soğuk plazma ile iyileştirilmesi

Abstract

Geleneksel PCB üretim yöntemleri, seri üretime uygun olmakla beraber kişiye özel ürün tasarımı, hızlı prototipleme gereksinimi ve çevresel sürdürülebilirlik açısından yetersiz kalmaktadır. Bu çalışma, iletken nanoparçacık katkılı veya parçacıksız mürekkep püskürtmeli eklemeli imalat sistemleri üzerine odaklanarak, düşük maliyetli ve esnek elektronik üretimine yönelik özgün bir yaklaşım sunmaktadır. Çalışmada, suda çözünebilen parçacıksız metal-organik gümüş mürekkep sentezlenmiş; bu mürekkep, çalışma içerisinde tasarlanıp üretilen piezo kontrollü damlacık püskürtme kafası ile test edilmiştir. Mürekkebin yüzey gerilimi ve temas açısı ölçümleri alınmıştır. %2 ve %2,5 gümüş içeren mürekkeplerle, 150–300 mm/dk hızlarda ve 1–7 katman arasında serici ve damla püskürtme olmak üzere iki yöntem tam faktöriyel içeren 8 deney (toplam: 56 farklı örnek) ile denenmiştir. En stabil ve tasarruflu sonuç serme yönteminin kullanıldığı, 300 mm/dk hızda, %2,5 gümüş içeren mürekkep ve 5 katmanla, 0,427 Ω direnç değeri ile elde edilmiştir. Çalışma dahilinde soğuk plazma cihazı yapılmıştır. Bu yapılan cihaz ile katmanlar arası soğuk plazma uygulamasıyla iletkenlik ve esneklik artırılmaya çalışılmıştır. Numuneler toplamda 10 adet farklı çap içeren (3-5-7-10-15-20-25-30-35-40 mm) silindirlere sarılarak esneklik performansı test edilmiştir. Mikroskopla hat çizgilerinin doğrusallığı ve kahve lekesi etkisi incelenmiş, optik profilometre ile 1’den 20 katmana kadar basılmış elektrotların yüzey profili ve kalınlık dağılımları analiz edilmiştir. Kapasitör devresi üretilerek bu devrenin direnç ve kapasitans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Katmanlar arası plazma uygulamasıyla sistemin iletkenlik ve mekanik dayanımının artırılması cihaz tasarımlarının yanında bu çalışmanın özgün yönünü oluşturmaktadır. Oluşturulan kapasitör devresinde plazma uygulaması sayesinde %44,75 malzeme tasarrufu sağlanmıştır.

Conventional PCB manufacturing methods are well-suited for mass production, they fall short in addressing the growing demand for customised product design, rapid prototyping, and environmental concerns. This study presents a novel approach to cost-effective and flexible electronics manufacturing by focusing on inkjet-based additive manufacturing systems, utilizing both nanoparticle-enhanced and particle-free conductive inks. Water- based particle-free metal-organic silver ink was synthesized and tested using a piezoelectrically controlled drop-on-demand printhead specifically designed and developed. Surface tension and contact angle measurements of the ink were conducted. Two variants of the ink, containing 2% and 2.5% silver, were evaluated at print speeds between 150–300 mm/min using two distinct deposition methods: microplotting and inkjet printing. A full factorial design with eight experimental runs was applied (different 56 samples), testing 1 to 7 printed layers. The most stable and efficient result—a resistance of 0.427 Ω—was achieved using the microplotting method at 300 mm/min with the 2.5% silver ink five layers. A custom-built cold plasma device was employed to enhance interlayer conductivity and flexibility. Flexibility tests were conducted by wrapping samples around cylinders of varying diameters (3 to 40 mm). Linearity and the coffee-ring effect were analyzed under optical microscopy. Surface topology and thickness of exposed cold plasma and normal electrodes with 1 to 20 layers were measured using an optical profilometer. Capacitor circuit was created, and measurements of its capacitance and resistance were performed. Beyond the system design, the enhancement of conductivity and mechanical durability through interlayer plasma application constitutes the study’s key innovation. Thanks to the plasma application in the created capacitor circuit, 44.75% material savings were achieved.