Zapleten ukrivljen 3D-natisnjen kalup, ovit z ravno grelno blazinico, je ravnovesje med toplotnim stikom in geometrijsko svobodo. V mnogih okoliščinah se toplota dovaja neenakomerno, ker grelec ni bil nikoli zasnovan za to posebno obliko. Pojavlja se nov trend, kjer se grelni element ne doda naknadno, ampak se ustvari neposredno na površini. Prevodna črnila na osnovi-ogljika omogočajo tiskanje grelnih krogov neposredno na zapletene površine orodij, ki služijo kot toplotna plast, ki se pravilno prilega geometriji.

Koncept 3D plošče z ogljikovim prevodnim grelnikom, natisnjenim s črnilom, je odmik od diskretnih grelnih naprav k popolnoma integriranim, površinsko določenim toplotnim sistemom.


Od trdih grelnikov do tiskanih toplotnih slojev
Tradicionalni ogrevalni sistemi delujejo tako, da:

Gumijaste podloge silikonske

Kartušni grelci z integriranim kovinskim blokom

Grelne plošče iz keramike ali sljude

Uporovni elementi s kovinskim plaščem

Te rešitve so učinkovite, vendar so v bistvu ravninske ali omejujejo geometrijo. Pri ukrivljenih ali nepravilnih 3D orodjih je toplotna homogenost v aplikaciji običajno ogrožena.

Tiskana prevodna črnila zagotavljajo alternativno pot. Grelni element je izdelan neposredno na obliki, ne da bi sili toploto v obliko.

Grelnik je takoj grafično prikazan na orodju kot shema vezja.

Kako delujejo ogljikovi prevodni grelci črnila
Prevodna črnila-na osnovi ogljika so običajno sestavljena iz:

Ogljikove nanocevke ali grafenske nanoploščice

Polimerno matrično vezivo

Sistem topil za nanašanje

Dodatki za regulacijo oprijema in strjevanja

Ta črnila se nanesejo na podlago z:

Sitotisk

Jet tisk

Maskirni vzorci, prevlečeni z razpršilom

Odlaga se kot snov in utrjuje pri zmerni temperaturi, da se ustvari neprekinjena prevodna mreža, vdelana v tanek polimerni film.

Pri strjevanju nastane električno uporno segrevanje, ko tok potuje skozi natisnjen vzorec.

Električne lastnosti
Tipični razponi zmogljivosti so:

Upornost pločevine: 10-100 Ω/□

Delovna napetost: sistemi od 12 do 48 VDC

Uglašena geometrija vzorca gostote moči

Redno nanašanje črnila za nadzor enotnosti

Ker je njihova odpornost relativno visoka (v primerjavi s kovinami), so ti sistemi pogosto nizko-napetostni, kar povečuje varnost delovanja v okoljih prototipov in kompaktnih orodij.

Konformno segrevanje 3D površin
Geometrijska enotnost je ena najpomembnejših lastnosti tiskanih grelnikov na osnovi ogljika.

Tiskane plasti črnila je mogoče položiti na za razliko od ravnih ogrevanih preprog:

Kalupi, ukrivljeni

Orodje za aditivno proizvodnjo

Kompleksne votline površine

Ne{0}}planarna geometrija plošče

To omogoča popolno integracijo toplotne zasnove, pri čemer gretje sledi natančni obliki komponente, namesto da bi se ji približalo.

Tako nastane tanek, homogen toplotni sloj za zmanjšanje upora toplotnega vmesnika.

Toplotne in mehanske prednosti
Funkcionalne prednosti tiskanih grelnikov-na osnovi ogljika so:

Nizka toplotna masa
Natisnjena plast ima zanemarljivo toplotno vztrajnost pri debelinah na splošno v desetinah mikronov. To omogoča:

Hitra toplotna reakcija

Hitri cikli ogrevanja in hlajenja

Zmanjšane izgube pri shranjevanju energije

Zelo dobra geometrijska prilagodljivost
Grelni element je nameščen neposredno na površino, zato z vgradnjo zunanjega grelnika ne pride do mehanske vezne napetosti.

Možni zaščitni premazi
Ko se strdi, ga je mogoče zaščititi s plastjo npr. PTFE, polimernega premaza za:

Povečajte kemično odpornost

Naredite bolj odporen proti obrabi

Ohranite celovitost površine med kolesarjenjem

Glavni inženirski izzivi
Obstajajo znatne tehnične ovire za razširitev tehnologije ogljikovega grelnika črnila v industrijske sisteme kljub ogromni obljubi.

Enakomernost upora v kompleksnih geometrijah
Težko je ohraniti enakomerno odpornost pločevine na ukrivljeni ali neravni površini zaradi naslednjega:

Sprememba pretoka črnila

Lokalne razlike v debelini

Sprememba površinske energije substrata

Ne-enoten upor lahko povzroči ne-enakomerne ogrevalne profile.

Adhezija in stabilnost termičnega cikla
Dolgoročna zanesljivost je odvisna od močnega oprijema med:

Plast karbonskega črnila

Material podlage (kovina, polimer, kompozit)

Zaščitni zgornji sloji premaza

Ponavljajoči se toplotni cikli brez upravljanja mehanskega neskladja lahko povzročijo mikrorazpoke ali razslojevanje.

Omejitve skaliranja moči
Tiskani ogljikovi grelniki običajno delujejo pri nizkih napetostih, zato morate, če želite prilagoditi industrijske ravni moči:

Vzorci z večjimi prevodnimi površinami

Arhitekture vezij vzporedno.

Zasnova razdeljenega ogrevalnega območja

To omejuje njegovo neposredno uporabo v-zmogljivih aplikacijah, vendar je primeren za specializirana orodja in izdelovanje prototipov.

Potencial uporabe v vročem orodju
Tehnologija je še posebej primerna za:

Hitra izdelava prototipov ogrevanega kalupa

Aditivno izdelana orodja z vgrajenim grelnim elementom

Laboratorijska oprema (po meri)

Orodje za proizvodnjo majhnih serij

- Kompleksne geometrije, ki jim standardni grelniki ne morejo ustrezati

To omogoča, da se v določenih aplikacijah nastajanje toplote natisne neposredno na površino orodja, kar močno zmanjša kompleksnost sestava.

Fleksibilnost v proizvodnji in oblikovanju
S tiskanimi grelnimi sistemi boste morda imeli popolnoma drugačen potek dela:

Toplotni vzorec, razvit digitalno

3d površinski tisk

Utrjen za izdelavo funkcionalnega vezja

Testirano in električno priključeno

Ta strategija zmanjšuje odvisnost od pre-oblikovanih grelnih elementov in omogoča hitro ponavljanje toplotnih načrtov.

3.4 Obeti za prihodnost
Predvideva se, da bo razvoj formulacij prevodnega črnila prinesel številne novosti:

Grafenski kompoziti z večjo prevodnostjo

Polimerna veziva izboljšana pri povišani temperaturi

Več-slojne natisnjene ogrevalne arhitekture

Vgrajen senzor in grelne plasti

Robotsko nanašanje na zapletene 3D površine z avtomatizacijo

Ta napredek bi lahko potencialno pripeljal do oblikovanja in izdelave toplotnih sistemov z uporabo delovnih tokov, primerljivih s tistimi, ki se uporabljajo v tiskani elektroniki.

Povzetek
Prevodna-črnila na osnovi ogljika utirajo pot za neposredno tiskane sisteme ogrevanja zapletenih 3D površin. Ta tehnika tiskanja ogljikovega prevodnega grelnika črnila na 3D površino plošče spreminja način ustvarjanja in prototipa ogrevanih orodij po meri, ki omogočajo tanka, prilagodljiva in digitalno določena toplotna vezja.

Še vedno obstajajo težave z enotnostjo, vzdržljivostjo in skaliranjem moči, vendar je tehnika privlačen korak k hitremu toplotnemu inženiringu,-ki temelji na geometriji. V tej novi paradigmi grelni elementi niso več diskretne komponente, temveč integrirane značilnosti same površine – po možnosti je termično orodje po meri tako enostavno kot tiskanje načrtovalske datoteke.

Naslednja generacija ogrevanih površin morda ne bo zgrajena, temveč natisnjena, plast za plastjo, kot vezje, narisano neposredno na fizično okolje.