Un motlle imprès en 3D-corbat complicat embolicat amb un coixinet de calefacció pla és un equilibri entre el contacte tèrmic i la llibertat geomètrica. En moltes circumstàncies, la calor es subministra de manera desigual perquè l'escalfador mai es va dissenyar per a aquesta forma en particular. Està sorgint una nova tendència on l'element calefactor no s'afegeix després sinó que es genera directament a la superfície. Les tintes conductores basades en carboni-permeten que els circuits de calefacció s'imprimeixin directament sobre superfícies complexes d'eines, i serveixen com a capa tèrmica que s'ajusta correctament a la geometria.

El concepte d'una superfície de platina 3D amb un escalfador imprès de tinta conductora de carboni és un pas dels dispositius de calefacció discrets a sistemes tèrmics totalment integrats i especificats en superfície.


Des d'escalfadors rígids fins a capes tèrmiques impreses
Els sistemes de calefacció tradicionals funcionen mitjançant:

Catifes de goma de silicona

Escalfadors de cartutxos amb bloc metàl·lic integrat

Plaques calefactores de ceràmica o mica

Elements de resistència amb funda metàl·lica

Aquestes solucions són efectives però són essencialment planes o limitant la geometria. Per a eines 3D corbes o irregulars, l'homogeneïtat tèrmica es veu habitualment compromesa a l'aplicació.

Les tintes conductores impreses proporcionen una ruta alternativa. L'element calefactor es fa directament sobre la forma, sense forçar la calor en una forma.

L'escalfador es mostra immediatament gràficament a l'eina com un diagrama de circuit.

Com funcionen els escalfadors de tinta conductors de carboni
Les tintes conductores-de carboni solen consistir en:

Nanotubs de carboni o nanoplaquetes de grafè

Aglutinant de matriu polimèrica

Sistema dissolvent per a la deposició

Additius per a la regulació de l'adhesió i cura

Aquestes tintes es col·loquen sobre un substrat amb:

Serigrafia

Impressió a raig

Patrons d'emmascarament recoberts amb esprai

Es diposita com a substància i es cura a una temperatura moderada per generar una xarxa conductora contínua incrustada en una fina pel·lícula de polímer.

Quan es cura, es produeix un escalfament per resistència elèctrica quan el corrent viatja a través del patró imprès.

Propietats elèctriques
Els rangs de rendiment típics són:

Resistència de la làmina: 10-100 Ω/□

Tensió de funcionament: sistemes de 12 a 48 VDC

Geometria del patró de densitat de potència ajustada

Deposició regular de tinta per al control de la uniformitat

Com que la seva resistència és relativament alta (en comparació amb els metalls), aquests sistemes solen ser de baixa tensió-, cosa que augmenta la seguretat operativa en entorns de prototips i eines compactes.

Escalfament conforme de superfícies 3D
La uniformitat geomètrica és una de les característiques més importants dels escalfadors impresos basats en carboni.

Les capes de tinta impresa es poden col·locar a diferència de les estores planes escalfades:

Motlles, corbats

Eines per a la fabricació additiva

Superfícies de cavitats complexes

Geometria del plat no-planar

Això permet la integració completa del disseny tèrmic, amb l'escalfament seguint la forma exacta del component en lloc d'aproximar-lo.

Això produeix una capa tèrmica fina i homogènia per reduir la resistència de la interfície tèrmica.

Beneficis tèrmics i mecànics
Els avantatges funcionals dels escalfadors impresos-basats en carboni són:

Baixa massa tèrmica
La capa impresa té una inèrcia tèrmica insignificant a gruixos generalment de les desenes de micres. Això permet:

Reacció tèrmica ràpida

Cicles ràpids de calefacció i refrigeració

Disminució de les pèrdues d'emmagatzematge d'energia

Molt bona adaptabilitat geomètrica
L'element calefactor es col·loca directament a la superfície, per tant, no s'introdueix cap tensió d'unió mecànica per la instal·lació de l'escalfador extern.

Possibles recobriments protectors
Quan es cura, es pot protegir amb una capa de PTFE, per exemple, una capa superior de polímer per:

Millorar la resistència química

Fer més resistent a l'abrasió

Mantenir la integritat de la superfície durant el ciclisme

Principals reptes d'enginyeria
Hi ha obstacles tècnics importants per ampliar la tecnologia d'escalfament de tinta de carboni als sistemes industrials malgrat l'enorme promesa.

Uniformitat de resistència a través de geometries complexes
Pot ser difícil mantenir una resistència uniforme del full sobre una superfície corba o irregular a causa del següent:

Variació en el flux de tinta

Variacions locals de gruix

Variació de l'energia superficial del substrat

La resistència no-uniforme pot provocar perfils de calefacció no-uniformes.

Adhesió i estabilitat del cicle tèrmic
La fiabilitat a llarg termini depèn de la forta adhesió entre:

Capa de tinta de carboni

Material del substrat (metall, polímer, compost)

Capes protectores de capa superior

El cicle de calor repetit sense la gestió de desajustos mecànics pot provocar microesquerdes o delaminació.

Restriccions d'escala de potència
Els escalfadors de carboni impresos normalment funcionen a baixes tensions, per tant, si voleu escalar els nivells de potència industrial, heu de:

Patrons amb àrees conductores més grans

Arquitectures de circuits en paral·lel.

Disseny de zona de calefacció distribuïda

Això limita el seu ús directe en aplicacions d'alta-potència, però és adequat per a eines especialitzades i situacions de prototipatge.

Potencial d'aplicació en Hot Tooling
La tecnologia és especialment adequada per a:

Prototipat ràpid de motlle escalfat

Eines produïdes additivament amb element de calefacció incrustat

Equipaments de laboratori (personalitzats)

Eines de producció de lots petits

- Geometries complexes que els escalfadors estàndard no poden complir

Això permet que la generació de calor s'imprimeixi directament sobre la superfície d'una eina en determinades aplicacions, reduint molt la complexitat del muntatge.

Flexibilitat en la fabricació i disseny
Amb els sistemes d'escalfadors impresos, podeu tenir un flux de treball de disseny completament diferent:

Patró de calor desenvolupat digitalment

Impressió de superfície 3D

Curat per fer circuit funcional

Provat i connectat elèctricament

Aquesta estratègia redueix la dependència dels-elements escalfadors preformats i permet una ràpida iteració dels dissenys tèrmics.

3.4 Perspectives de futur
Es preveu que l'evolució de les formulacions de tinta conductora produeixi nombrosos desenvolupaments:

Composites de grafè amb major conductivitat

Aglutinants de polímers millorats per temperatura elevada

Arquitectures de calefacció impreses -multicapa

Sensor integrat i capes de calefacció

Deposició robòtica sobre superfícies 3D complicades per automatització

Aquests avenços podrien conduir potencialment al disseny i la fabricació de sistemes tèrmics mitjançant fluxos de treball comparables als utilitzats en electrònica impresa.

Resum
Les tintes conductores-de carboni estan obrint el camí per als sistemes de calefacció impresos directament per a complicades superfícies de platina en 3D. Aquesta tècnica d'impressió d'un escalfador de tinta conductora de carboni a la superfície 3D d'una platina està canviant la manera com es poden crear i prototipar eines escalfades a mida, permetent circuits tèrmics prims, flexibles i especificats digitalment.

Encara hi ha dificultats d'uniformitat, durabilitat i escala de potència, però la tècnica és un pas atractiu cap a una enginyeria tèrmica ràpida i basada en la geometria-. En aquest nou paradigma, els elements de calefacció ja no són components discrets, sinó característiques integrades de la pròpia superfície, possiblement fent que les eines tèrmiques personalitzades siguin tan fàcils com imprimir un fitxer de disseny.

La propera generació de superfícies escalfades pot no ser construïda, sinó impreses, capa per capa, com un circuit dibuixat directament a l'entorn físic.