RU2797984C2

RU2797984C2 - Dispenser for forming portions (drops) of metal and their distribution over a flat surface

Info

Publication number: RU2797984C2
Application number: RU2021124235A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Уваров; Данил Александрович Невоструев
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-06-13

Abstract

FIELD: 3D printing.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of forming portions (drops) of metal, three-dimensional printing, as well as for the implementation of technological processes in the manufacture of electronic devices. A dispenser for forming portions (drops) of metal and distributing them over a flat surface consists of a tank-extruder for molten metal with a heating element and a nozzle for melt output. The extruder nozzle has a hole with an effective outlet cross section, which is reduced by a rod placed in the hole with a diameter that prevents the melt from flowing out of the extruder tank at atmospheric air pressure above the melt surface and provides the melt flow rate when the air pressure in the extruder tank is controlled by means of a pneumatic dispenser system. The extruder nozzle around the hole has a flat part to distribute portions of the melt on a flat surface.

EFFECT: ensuring the regulation of the applied portions of the material and their distribution over the surface.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение предназначено для возможности формирования порций металла, в том числе в виде капель, например, с целью нанесения металлического электрода методом струйной печати на различные поверхности, в том числе на поверхности тонких пленок органических электронных устройств (ЭУ).The invention is intended for the possibility of forming portions of metal, including in the form of drops, for example, in order to apply a metal electrode by inkjet printing on various surfaces, including the surface of thin films of organic electronic devices (ED).

В настоящее время наблюдается стремительное развитие науки и технологий в области изготовления структур из металлов различными способами [L.E. Murr, W.L. Johnson. J. Mater. Res. Technol. Vol.6, 2017, p. 77-89]. В частности, активно разрабатываются способы трехмерной печати металлами и сплавами [Y. Chao, el. al. J. Mater. Proc. Technol. Vol.212, 2012, p. 484-491; Patent US 2017/0144242 A1 (McQueen et al.) 25.05.2017, абз. [0003]; Patent US 11104058 B2 (Zinniel R.L., et al.) 06.12.2018, столбец 2, строки с 24 по 67, столбец 3, строки с 1 по 15]. Для этого необходимо формировать порции металла, что является нетривиальной задачей, решения которых представлены в ряде патентов [Patent US 4613076 (Dietz P.W., et al.), 23.09.1986, столбец 2, строки с 36 по 68, столбец 3, строки с 1 по 9; Patent US 6446878 B1 (Chandra S., et al.), 10.09.2002, столбец 2, строки с 26 по 61]. Currently, there is a rapid development of science and technology in the field of manufacturing structures from metals in various ways [L.E. Murr, W.L. Johnson. J. Mater. Res. Technol. Vol.6, 2017, p. 77-89]. In particular, methods of three-dimensional printing with metals and alloys are being actively developed [Y. Chao, el. al. J. Mater. Proc. Technol. Vol.212, 2012, p. 484-491; Patent US 2017/0144242 A1 (McQueen et al.) May 25, 2017, para. [0003]; Patent US 11104058 B2 (Zinniel R.L., et al.) 12/06/2018, column 2, lines 24 to 67, column 3, lines 1 to 15]. To do this, it is necessary to form portions of the metal, which is a non-trivial task, the solutions of which are presented in a number of patents [Patent US 4613076 (Dietz P.W., et al.), 09/23/1986, column 2, lines 36 to 68, column 3, lines 1 by 9; Patent US 6446878 B1 (Chandra S., et al.), 09/10/2002, column 2, lines 26 to 61].

Задачей изобретения является формирование порций металла и его распределение по необходимому участку плоской поверхности.The objective of the invention is the formation of portions of the metal and its distribution over the required area of the flat surface.

Положительный эффект данного изобретения заключается в техническом решении формирования порций металла и его распределением по необходимому участку плоской поверхности. Для этого была разработана конструкция дозатора, являющегося частью автоматизированного устройства нанесения металлического электрода ЭУ на различные плоские поверхности, в том числе печатные платы, а также поверхности тонких пленок органических ЭУ. Преимуществами данного изобретения над существующими являются возможность прецизионного управления, как массой порции наносимого металла, так и скоростью нанесения, а также использованием конструкции дозатора для распределения металла по намеченным участкам плоской поверхности.The positive effect of this invention lies in the technical solution of the formation of portions of the metal and its distribution over the required area of the flat surface. For this purpose, the design of the dispenser was developed, which is part of an automated device for applying the EI metal electrode to various flat surfaces, including printed circuit boards, as well as the surfaces of thin films of organic EI. The advantages of this invention over existing ones are the possibility of precise control of both the mass of the deposited metal portion and the deposition rate, as well as the use of a dispenser design for distributing the metal over the intended areas of the flat surface.

Поставленная задача решается благодаря тому, что дозатор для формирования порций (капель) металла и их распределения по плоской поверхности состоит из нагреваемого резервуара-экструдера с соплом (Фиг. 1) связанным с пневматической системой поддержания необходимого расчетного давления в экструдере.The problem is solved due to the fact that the dispenser for the formation of portions (drops) of metal and their distribution over a flat surface consists of a heated extruder tank with a nozzle (Fig. 1) connected to a pneumatic system to maintain the required design pressure in the extruder.

Дозатор для формирования порций (капель) металла и их распределения по плоской поверхности, состоящий из резервуара-экструдера для расплавленного металла с нагревательным элементом и соплом для вывода расплава и связанного с пневматической системой. Согласно изобретению, сопло экструдера имеет длину и эффективное сечение, которое уменьшено помещенным в отверстие стержнем, диаметр которого предотвращает истечение расплава из резервуара экструдера при атмосферном давлении воздуха над поверхностью расплава, и обеспечивает скорость истечения расплава при изменении давления воздуха в резервуаре посредством пневматической системы дозатора, при этом плоская часть вокруг отверстия сопла экструдера обеспечивает распределение порций расплава, вытекающего из сопла по плоской поверхности.A dispenser for forming portions (drops) of metal and distributing them over a flat surface, consisting of a tank-extruder for molten metal with a heating element and a nozzle for removing the melt and connected to a pneumatic system. According to the invention, the extruder nozzle has a length and an effective section, which is reduced by a rod placed in the hole, the diameter of which prevents the melt from flowing out of the extruder tank at atmospheric air pressure above the melt surface, and ensures the melt flow rate when the air pressure in the tank changes by means of a pneumatic dispenser system, while the flat part around the opening of the extruder nozzle ensures the distribution of portions of the melt flowing from the nozzle on a flat surface.

Непосредственно над плоской поверхностью (подложкой), на которую необходимо нанести металлический расплав (электрод), устанавливают экструдер (Фиг. 1), который служит резервуаром для наносимого сплава металла. Корпус экструдера 1 изготовлен из металла с температурой плавления существенно выше температуры плавления применяемого в качестве материала наносимого на плоскую подложку электрода, (например, сплав дюралюминия с температурой плавления выше 500°С). Корпус экструдера нагревают до температуры, необходимой для плавления сплава материала наносимого электрода, посредством нагревательного элемента 2, установленного вокруг корпуса экструдера.Directly above the flat surface (substrate), on which it is necessary to apply the metal melt (electrode), an extruder is installed (Fig. 1), which serves as a reservoir for the deposited metal alloy. The body of the extruder 1 is made of metal with a melting temperature significantly higher than the melting temperature of the electrode used as the material deposited on the flat substrate (for example, an alloy of duralumin with a melting point above 500°C). The extruder body is heated to a temperature necessary to melt the electrode material alloy by means of a heating element 2 installed around the extruder body.

В результате нагревания сплав металла, помещенный внутрь экструдера, плавится.As a result of heating, the metal alloy placed inside the extruder melts.

Существенным элементом дозатора является сопло 3, расположенное в нижней части экструдера, через которое происходит истечение сплава металла. Стоит заметить, что для каждой задачи по нанесению расплава металла на подложку разрабатывают индивидуально конструкцию сопла, которая позволяет выполнить поставленную задачу максимально эффективно [Patent US 2020376596 A1 (Zenou М.) 03.12.2020, абз. с [0005] по [0006], Patent KR 200252327 Y1, 22.11.2001, весь документ].An essential element of the dispenser is the nozzle 3, located in the lower part of the extruder, through which the metal alloy flows out. It is worth noting that for each task of applying a metal melt to a substrate, an individual nozzle design is developed, which allows the task to be completed as efficiently as possible [Patent US 2020376596 A1 (Zenou M.) 03.12.2020, par. [0005] to [0006], Patent KR 200252327 Y1, 11/22/2001, entire document].

В настоящем изобретении было разработано сопло, которое изготовлено из материала идентичного материалу экструдера. Сопло 3 присоединено к корпусу экструдера 1 резьбовым соединением. Посредством теплопроводности сопло нагревается от корпуса экструдера до температуры, превышающей температуру плавления наносимого сплава металла. В сопле выполнено отверстие 4 с диаметром не более 1 мм и длиной не менее 1 мм, а внутрь этого отверстия помещен стержень 5, диаметр которого подобран таким образом, чтобы добиться оптимального сечения зазора (щелевое отверстие) между стенкой сопла и стержнем для истечения расплавленного металла.In the present invention, a nozzle has been developed which is made from a material identical to that of the extruder. The nozzle 3 is connected to the extruder body 1 by a threaded connection. Through thermal conduction, the nozzle is heated from the extruder body to a temperature exceeding the melting temperature of the applied metal alloy. A hole 4 is made in the nozzle with a diameter of not more than 1 mm and a length of at least 1 mm, and a rod 5 is placed inside this hole, the diameter of which is chosen in such a way as to achieve the optimal gap cross section (slotted hole) between the nozzle wall and the rod for the outflow of molten metal .

Оптимальным сечением зазора между стенкой сопла и поверхностью стержня является такое, для которого при атмосферном давлении над верхней поверхностью сплава в экструдере нет самопроизвольного истечения сплава из экструдера. При оптимальном сечении зазора, расплав не вытекает под действием силы тяжести из экструдера вследствие капиллярных сил сопротивления между сплавом и стенкой зазора, которые преобладают над остальными силами, действующими на сплав (силой тяжести сплава, силами давления воздуха на поверхности сплава). При повышении давления над расплавом в штуцере 6 (Фиг. 1) за счет работы пневматической системы, сопло выпускает сплав со скоростью, которую можно регулировать посредством изменения давления в пневматической системе.The optimal section of the gap between the wall of the nozzle and the surface of the rod is such that at atmospheric pressure above the upper surface of the alloy in the extruder there is no spontaneous outflow of the alloy from the extruder. With an optimal gap cross section, the melt does not flow out of the extruder under the action of gravity due to capillary resistance forces between the alloy and the gap wall, which prevail over the other forces acting on the alloy (gravity of the alloy, air pressure forces on the surface of the alloy). When the pressure above the melt in the nozzle 6 (Fig. 1) is increased due to the operation of the pneumatic system, the nozzle releases the alloy at a rate that can be controlled by changing the pressure in the pneumatic system.

Плоская часть сопла вокруг отверстия 4 выполняет функцию распределителя металла по поверхности ЭУ, что позволит получать металлический электрод определенной толщины и формы.The flat part of the nozzle around the hole 4 performs the function of a metal distributor over the surface of the EI, which will make it possible to obtain a metal electrode of a certain thickness and shape.

Температуру сопла 3 измеряют термопарой и поддерживают при помощи релейного терморегулятора (на фиг. не показано), управляющего нагревательным элементом 2.The temperature of the nozzle 3 is measured by a thermocouple and maintained using a relay thermostat (not shown in the figure) that controls the heating element 2.

Работа дозатора для формирования порций (капель) металла и их распределения по плоской поверхности.The operation of the dispenser for the formation of portions (drops) of metal and their distribution over a flat surface.

Для осуществления режима работы дозатора, а также для быстрого изменения скорости истечения расплава из сопла 3 служит пневматическая система, которая состоит из ресиверов с повышенным и пониженным давлением, 7 и 8 соответственно, подключенных к воздушной магистрали посредством электромагнитных клапанов 9 и 10, а также электромагнитный клапан 11 для соединения пневматической системы с атмосферой. Для контроля режима работы дозатора в пневматической системе также использован датчик давления 12.To implement the operating mode of the dispenser, as well as to quickly change the rate of melt flow from the nozzle 3, a pneumatic system is used, which consists of receivers with high and low pressure, 7 and 8, respectively, connected to the air line by means of electromagnetic valves 9 and 10, as well as electromagnetic valve 11 for connecting the pneumatic system to the atmosphere. Pressure sensor 12 is also used to control the operating mode of the dispenser in the pneumatic system.

В случае, если уровень расплава в экструдере настолько высокий, что гидростатическое давление столба расплава не компенсируется капиллярными силами, создается пониженное давление воздуха над расплавом при попеременном открывании/закрывании клапанов 10 и 11 для того, чтобы истечения расплава из сопла не происходило.If the level of the melt in the extruder is so high that the hydrostatic pressure of the melt column is not compensated by capillary forces, a reduced air pressure is created above the melt by alternately opening/closing valves 10 and 11 in order to prevent the melt from flowing out of the nozzle.

Для того, чтобы дозатор переключить в режим работы истечения расплава, необходимо одновременно закрыть клапаны 10 и 11 и открыть клапан 9. Из отверстия сопла дозатора происходит истечение расплава со скоростью, определяемой давлением воздуха в ресивере 7, сечением зазора отверстия сопла 4 и его длиной, а также высотой уровня расплава в экструдере.In order to switch the dispenser to the melt outflow operation mode, it is necessary to close valves 10 and 11 and open valve 9 simultaneously. as well as the height of the melt level in the extruder.

Была изготовлена модель дозатора из дюралюминия, отверстие сопла было выполнено диаметром 0,5 мм, длиной 10 мм, в отверстие был помещен стержень медной проволоки диаметром 0,4 мм на всю длину отверстия. Дозатор в автоматическом режиме формировал порции расплавленного металла (был использован сплав Филда, температура плавления 68°С), и нагретого до температуры 100°С. В Таблице приведены величины средней массы порции сплава m, полученные в результате открывании электромагнитного клапана 9, подключенного к ресиверу с давлением p на 1 сек и одновременным закрыванием электромагнитного клапана 10. Для каждого из значений p было изготовлено 20 экземпляров порций, уровень расплава в экструдере уменьшался незначительно, что среднеквадратичное отклонение а не превышает 1,5% от средних величин масс порций.A model of the dispenser was made from duralumin, the nozzle hole was made with a diameter of 0.5 mm, a length of 10 mm, a copper wire rod with a diameter of 0.4 mm was placed in the hole for the entire length of the hole. The batcher automatically formed portions of molten metal (Field's alloy was used, melting point 68°C), and heated to a temperature of 100°C. The Table shows the values of the average mass of a portion of the alloy m, obtained as a result of opening the solenoid valve 9 connected to the receiver with pressure p for 1 second and simultaneously closing the solenoid valve 10. For each of the p values 20 copies of the portions were made, the melt level in the extruder decreased slightly, that the standard deviation a does not exceed 1.5% of the average mass values of the portions.

При нанесении сплава на плоскую поверхность, нагретую до температуры плавления сплава, порция металла была распределена посредством движения плоской части сопла экструдера с диаметром отверстия 1 мм таким образом, что толщина наносимого слоя оказалась не более 0,3 мм.When the alloy was deposited on a flat surface heated to the melting temperature of the alloy, a portion of the metal was distributed by moving the flat part of the extruder nozzle with a hole diameter of 1 mm in such a way that the thickness of the deposited layer was no more than 0.3 mm.

Дозатор, при использовании пневматической системы при атмосферном давлении, обеспечивает истечение расплава из сопла каплями, и не контролирует скорость истечения расплава. Осуществление стационарно заданного режима истечения расплава из сопла дозатора обеспечивают соотношением зависимостей между температурой расплава и выбранным давлением в пневмосистеме. Положительный эффект достигается благодаря оптимизации конструктивного решения величины размера выпускного отверстия сопла, зависимости температуры нагрева расплава, и давления пневматической системы, подаваемого в резервуар-экструдера.The dispenser, when using a pneumatic system at atmospheric pressure, ensures that the melt flows out of the nozzle in drops, and does not control the melt flow rate. The implementation of a stationary set mode of melt flow from the dispenser nozzle is provided by the ratio of dependencies between the melt temperature and the selected pressure in the pneumatic system. A positive effect is achieved by optimizing the design solution of the size of the nozzle outlet, the dependence of the melt heating temperature, and the pressure of the pneumatic system supplied to the extruder tank.

Claims

Дозатор для формирования порций (капель) металла и их распределения по плоской поверхности, состоящий из резервуара-экструдера для расплавленного металла с нагревательным элементом и соплом для вывода расплава, связанным с пневматической системой, отличающийся тем, что сопло экструдера имеет отверстие с эффективным сечением выходного отверстия, которое уменьшено помещенным в отверстие стержнем c диаметром, предотвращающим истечение расплава из резервуара экструдера при атмосферном давлении воздуха над поверхностью расплава и обеспечивающим скорость истечения расплава при регулировании давления воздуха в резервуаре-экструдере посредством пневматической системы дозатора, при этом сопло экструдера вокруг отверстия имеет плоскую часть для распределения порций расплава по плоской поверхности.A dispenser for forming portions (drops) of metal and distributing them over a flat surface, consisting of a tank-extruder for molten metal with a heating element and a nozzle for removing the melt connected to a pneumatic system, characterized in that the extruder nozzle has a hole with an effective cross section of the outlet , which is reduced by a rod placed in the hole with a diameter that prevents the melt from flowing out of the extruder tank at atmospheric air pressure above the melt surface and ensures the melt flow rate when the air pressure in the extruder tank is controlled by means of a pneumatic dispenser system, while the extruder nozzle around the hole has a flat part for distributing portions of the melt on a flat surface.