Skomplikowana, zakrzywiona forma drukowana-3D owinięta płaską poduszką grzejną zapewnia równowagę pomiędzy kontaktem termicznym a swobodą geometryczną. W wielu przypadkach ciepło jest dostarczane nierównomiernie, ponieważ grzejnik nigdy nie został zaprojektowany dla tego konkretnego kształtu. Pojawia się nowy trend, w którym element grzejny nie jest dodawany później, ale jest generowany bezpośrednio na powierzchni. Atramenty przewodzące na bazie węgla-umożliwiają drukowanie obwodów grzewczych bezpośrednio na skomplikowanych powierzchniach narzędzi, służąc jako warstwa termiczna odpowiednio dopasowująca się do geometrii.

Koncepcja trójwymiarowej powierzchni płyty z grzejnikiem z nadrukiem przewodzącym węgiel to odejście od dyskretnych urządzeń grzewczych na rzecz w pełni zintegrowanych systemów termicznych o określonej powierzchni.


Od sztywnych grzejników po drukowane warstwy termiczne
Tradycyjne systemy grzewcze działają poprzez:

Maty gumowe silikonowe

Grzejniki kasetowe ze zintegrowanym metalowym blokiem

Ceramiczne lub mikowe płyty grzewcze

Elementy oporowe z metalową osłoną

Rozwiązania te są skuteczne, ale zasadniczo ograniczają planarność lub geometrię. W przypadku zakrzywionych lub nieregularnych narzędzi 3D, jednorodność termiczna jest często zagrożona w zastosowaniu.

Drukowane tusze przewodzące stanowią alternatywną drogę. Element grzejny wykonany jest bezpośrednio na kształcie, nie wtłaczając ciepła w kształt.

Grzejnik jest natychmiast prezentowany graficznie na narzędziu w postaci schematu elektrycznego.

Jak działają węglowe, przewodzące podgrzewacze atramentu
Atramenty przewodzące na bazie węgla- zwykle składają się z:

Nanorurki węglowe lub nanopłytki grafenu

Spoiwo matrycy polimerowej

System rozpuszczalników do osadzania

Dodatki regulujące przyczepność i utwardzanie

Farby te nakładane są na podłoże za pomocą:

Sitodruk

Druk strumieniowy

Wzory maskujące malowane natryskowo

Osadza się go jako substancję i utwardza ​​w umiarkowanej temperaturze, aby wytworzyć ciągłą sieć przewodzącą osadzoną w cienkiej warstwie polimeru.

Po utwardzeniu powstaje ogrzewanie oporowe, gdy prąd przepływa przez wydrukowany wzór.

Właściwości elektryczne
Typowe zakresy wydajności to:

Rezystancja arkusza: 10-100 Ω/□

Napięcie robocze: systemy od 12 do 48 VDC

Dostrojona geometria wzoru gęstości mocy

Regularne osadzanie atramentu w celu kontroli jednolitości

Ponieważ ich odporność jest stosunkowo wysoka (w porównaniu z metalami), systemy te często charakteryzują się niskim-napięciem, co zwiększa bezpieczeństwo pracy w prototypowych i kompaktowych środowiskach narzędziowych.

Konforemne ogrzewanie powierzchni 3D
Jednorodność geometryczna jest jedną z najważniejszych cech drukowanych grzejników na bazie węgla.

Zadrukowane warstwy farb można nakładać na płaskie maty podgrzewane:

Formy, zakrzywione

Oprzyrządowanie do wytwarzania przyrostowego

Złożone powierzchnie wnęk

Nie{0}}płaska geometria płyty

Pozwala to na pełną integrację projektu termicznego, przy czym ogrzewanie podąża dokładnie za kształtem elementu, a nie go przybliża.

W ten sposób powstaje cienka, jednorodna warstwa termiczna, która zmniejsza rezystancję interfejsu termicznego.

Korzyści termiczne i mechaniczne
Zalety funkcjonalne drukowanych grzejników węglowych-to:

Niska masa termiczna
Warstwa drukowana ma znikomą bezwładność cieplną przy grubościach zwykle rzędu dziesiątek mikronów. Umożliwia to:

Szybka reakcja termiczna

Szybkie cykle ogrzewania i chłodzenia

Obniżone straty w magazynowaniu energii

Bardzo dobre możliwości adaptacji geometrycznej
Element grzejny umieszcza się bezpośrednio na powierzchni, dzięki czemu instalacja zewnętrznego grzejnika nie powoduje naprężeń mechanicznych.

Możliwe powłoki ochronne
Po utwardzeniu można go zabezpieczyć warstwą np. PTFE, polimerową powłoką nawierzchniową w celu:

Zwiększ odporność chemiczną

Zwiększ odporność na ścieranie

Utrzymuj integralność powierzchni podczas jazdy na rowerze

Główne wyzwania inżynieryjne
Pomimo ogromnych obietnic, istnieją poważne przeszkody techniczne utrudniające zwiększenie skali technologii podgrzewaczy atramentu węglowego do systemów przemysłowych.

Jednolitość oporu w złożonych geometriach
Utrzymanie jednolitej rezystancji arkusza na zakrzywionej lub nierównej powierzchni może być trudne z następujących powodów:

Różnice w przepływie atramentu

Lokalne różnice w grubości

Zmienność energii powierzchniowej podłoża

Nie-jednolity opór może prowadzić do-nierównomiernych profili ogrzewania.

Przyczepność i stabilność w cyklu termicznym
Długoterminowa niezawodność zależy od silnej przyczepności pomiędzy:

Warstwa tuszu węglowego

Materiał podłoża (metal, polimer, kompozyt)

Ochronne warstwy wierzchnie

Powtarzające się cykle cieplne bez mechanicznego zarządzania niedopasowaniem mogą prowadzić do mikropęknięć lub rozwarstwień.

Ograniczenia skalowania mocy
Drukowane grzejniki węglowe zwykle działają przy niskim napięciu, więc jeśli chcesz skalować do przemysłowych poziomów mocy, musisz:

Wzory z większymi obszarami przewodzącymi

Architektury obwodów równoległe.

Projekt rozproszonej strefy grzewczej

Ogranicza to jego bezpośrednie zastosowanie w-zastosowaniach o dużej mocy, jest jednak odpowiedni do zastosowań w zakresie specjalistycznego oprzyrządowania i prototypowania.

Potencjał zastosowań w obróbce na gorąco
Technologia ta szczególnie dobrze nadaje się do:

Szybkie prototypowanie podgrzewanej formy

Narzędzia produkowane addytywnie z wbudowanym elementem grzejnym

Armatura laboratoryjna (niestandardowa)

Oprzyrządowanie do produkcji małych partii

- Złożone geometrie, którym nie są w stanie sprostać standardowe grzejniki

Umożliwia to w niektórych zastosowaniach drukowanie wytwarzania ciepła bezpośrednio na powierzchni narzędzia, co znacznie zmniejsza złożoność montażu.

Elastyczność w produkcji i projektowaniu
W przypadku drukowanych systemów grzewczych możesz mieć zupełnie inny przebieg prac projektowych:

Wzór cieplny opracowany cyfrowo

Druk powierzchniowy 3D

Utwardzony, aby utworzyć obwód funkcjonalny

Przetestowany i podłączony elektrycznie

Strategia ta zmniejsza zależność od-wstępnie formowanych elementów grzejnych i pozwala na szybką iterację projektów termicznych.

3.4 Perspektywy na przyszłość
Przewiduje się, że ewolucja receptur atramentów przewodzących przyniesie liczne udoskonalenia:

Kompozyty grafenowe o wyższej przewodności

Spoiwa polimerowe o podwyższonej temperaturze

Wielowarstwowe-drukowane architektury grzewcze

Zintegrowany czujnik i warstwy grzewcze

Zrobotyzowane osadzanie na skomplikowanych powierzchniach 3D poprzez automatyzację

Postępy te mogą potencjalnie prowadzić do projektowania i wytwarzania systemów termicznych przy użyciu procesów roboczych porównywalnych do tych stosowanych w drukowanej elektronice.

Streszczenie
Atramenty przewodzące na bazie węgla-torują drogę bezpośrednio drukowanym systemom grzewczym dla skomplikowanych powierzchni płyt 3D. Ta technika drukowania podgrzewacza atramentu przewodzącego węgiel na trójwymiarowej powierzchni płyty dociskowej zmienia sposób tworzenia i prototypowania podgrzewanych narzędzi na zamówienie, umożliwiając tworzenie cienkich, elastycznych i cyfrowo określonych obwodów termicznych.

Nadal istnieją trudności związane z jednolitością, trwałością i skalowaniem mocy, ale technika ta stanowi atrakcyjny krok w kierunku szybkiej inżynierii cieplnej{0}}opartej na geometrii. W tym nowym paradygmacie elementy grzejne nie są już oddzielnymi komponentami, ale zintegrowanymi cechami samej powierzchni, co prawdopodobnie sprawia, że ​​niestandardowe oprzyrządowanie termiczne jest tak proste, jak wydrukowanie pliku projektu.

Następna generacja podgrzewanych powierzchni może nie zostać zbudowana, ale wydrukowana warstwa po warstwie, niczym obwód narysowany bezpośrednio na środowisku fizycznym.