ES2318506T3 - Metodo para aplicar um material sobre un substrato utilizando una tecnica de impresion de gotas pequeñas. - Google Patents
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Abstract
Método para la aplicación de un material sobre un substrato, utilizando una técnica de impresión de gotas pequeñas, comprendiendo dicho método las fases de: (a) disponer una solución de un precursor del material o una suspensión del material; (b) generar gotas pequeñas de la solución o de la suspensión y liberar las gotas pequeñas en la dirección del substrato; y (c) calentar las gotas pequeñas antes de que sean depositadas en el substrato de modo que se consiga: (i) que el medio líquido utilizado en la suspensión haya sido eliminado completamente cuando la solución comprende una suspensión de un metal o un polímero, o que el medio líquido utilizado en la suspensión haya sido eliminado, por lo menos, en un 50% cuando la suspensión comprende una suspensión de un producto cerámico, con lo cual se permite que el material se funda cuando el medio líquido haya sido eliminado completamente; o (ii) que el medio líquido utilizado en la solución haya sido eliminado completamente, con lo cual se consigue de este modo la pirólisis del precursor y la fusión del material así obtenido cuando el precursor comprende una sal metálica.
Description
Método para aplicar un material sobre un
substrato utilizando una técnica de impresión de gotas pequeñas.
La presente invención se refiere a un método
para aplicar un material sobre un substrato utilizando una técnica
de impresión de gotas pequeñas.
Las técnicas de impresión de gotas pequeñas se
aplican hoy en día ampliamente para la formación de cuerpos
bidimensionales y tridimensionales utilizando datos de diseño
generados por ordenador. En general se utiliza, o bien una técnica
de impresión de gotas pequeñas continua, o una técnica de impresión
de gotas pequeñas bajo demanda. En la técnica anterior se aplica
una contrapresión al depósito del material líquido a utilizar,
utilizándose de este modo una vibración mecánica constante para
producir un chorro de gotas pequeñas uniformes. Esta técnica se
aplica a una frecuencia elevada constante, permitiendo que las gotas
pequeñas sean producidas a una velocidad de miles de gotas por
segundo. Las técnicas de gotas bajo demanda difieren, sin embargo,
de la técnica anterior en que solamente se aplican con bajas
frecuencias, y únicamente cuando son necesarias, permitiendo que las
gotas sean producidas a velocidades del orden de centenares de
gotas pequeñas por segundo.
Los cuerpos bidimensionales típicos comprenden
películas, tales como aislantes eléctricos y semiconductores,
mientras que los cuerpos tridimensionales incluyen una amplia
variedad de productos tales prototipos de funcionamiento, moldes,
herramientas y otros artículos. Los materiales que pueden ser
utilizados de manera adecuada en estas aplicaciones incluyen
polímeros, metales y materiales cerámicos.
Un problema asociado con las técnicas de
impresión de gotas pequeñas de metal es que la formación de gotas
pequeñas de metal requiere la utilización de un tubo pequeño en el
generador de las gotas pequeñas, cuyo tubo lamentablemente es
sensible al bloqueo producido por las gotas pequeñas de metal.
Además, debe tenerse en cuenta que el metal fundido es agresivo, en
el sentido de que ocasiona la formación de productos de corrosión,
los cuales a su vez contribuyen al problema del bloqueo.
Evidentemente, este problema se incrementa cuando se utilizan
metales fundidos que tienen un punto de fusión más elevado, dado que
dichos metales fundidos se comportan de una forma más agresiva.
En una técnica alternativa de impresión mediante
gotas pequeñas utilizada en la fabricación de cuerpos
bidimensionales, las gotas pequeñas consistentes en un compuesto
organometálico seco disuelto en un disolvente orgánico son
depositadas en un substrato y una vez que se ha formado una capa de
gotas pequeñas en la superficie del substrato, la capa es sometida
a un tratamiento de calentamiento durante el cual tiene lugar la
pirólisis del compuesto organometálico para permitir la formación
de una capa metálica en la superficie del substrato. Dado que se
requiere dicho tratamiento térmico para cada capa individual de
gotas pequeñas, es evidente que dicha técnica requiere mucho tiempo
y asimismo es costosa. No obstante, un inconveniente adicional y más
grave es el hecho de que debe calentarse todo el substrato para
conseguir la pirólisis del compuesto organometálico. En
consecuencia, es preciso que el substrato sea resistente al calor,
lo que limita esta técnica de manera significativa porque excluye
la aplicación de muchas combinaciones de substratos y de materiales
de impresión.
A partir del documento
EP-A-0 930 641 se conoce un método
de impresión por chorros de tinta.
El objetivo de la presente invención es dar a
conocer una técnica de impresión de gotas pequeñas que resuelve los
problemas anteriores.
De forma sorprendente, se ha descubierto que
esto puede ser conseguido cuando se utiliza un método en el cual el
material a imprimir sobre un substrato es aplicado en forma de
solución metálica, de la cual se calientan gotas pequeñas antes de
ser depositadas en el substrato.
De acuerdo con ello, la presente invención se
refiere a un método para aplicar un material sobre un substrato,
utilizando una técnica de impresión de gotas pequeñas tal como se
define en la reivindicación 1.
De manera preferente, el precursor comprende una
sal metálica o un compuesto organometálico y la suspensión
comprende una suspensión metálica, una suspensión de un polímero o
una suspensión de un producto cerámico. Más preferentemente, en la
fase (a) se dispone una solución de una sal metálica o una
suspensión metálica. Más preferentemente, en la fase (a) se dispone
una solución de una sal metálica. La sal metálica constituye el
precursor del metal correspondiente a obtener.
Según la presente invención, puede utilizarse
una amplia gama de sales metálicas. Las sales metálicas adecuadas
incluyen las derivadas de níquel, cobre, oro, plata, platino,
aluminio, hierro o paladio, preferentemente níquel o cobre. Entre
los ejemplos de dichas sales metálicas se incluyen nitratos o
acetatos metálicos, tales como nitrato de cobre, acetato de cobre,
nitrato de níquel y acetato de níquel.
Un ejemplo de un compuesto organometálico
adecuado es, por ejemplo,
(1,5-ciclooctadieno-1,1,1,5,5,5-hexafluoro
acetilacetonato) de plata (I), conocido asimismo como Ag
(hfa)(COD).
Obviamente, en la solución o en la suspensión a
utilizar según la presente invención, se utiliza un medio
líquido.
Los ejemplos adecuados de dichos medios líquidos
utilizados en las soluciones de sales metálicas incluyen agua,
alcohol y acetona, o mezclas de los mismos. Preferentemente, el
medio líquido utilizado en una solución de una sal metálica
comprende agua. Cuando se utiliza un compuesto organometálico, el
medio líquido adecuado incluye tolueno y etanol.
Cuando se utiliza una solución de una sal
metálica o un compuesto organometálico, las gotas pequeñas de la
solución son calentadas de tal manera que se produce la pirólisis de
la sal metálica o del compuesto organometálico, y el metal así
obtenido se funde en forma de gotas pequeñas de metal fundido. En
caso de utilizar una suspensión metálica, las gotas pequeñas de la
suspensión metálica se calentarán de tal forma que el medio líquido
utilizado en la suspensión metálica se eliminará completamente y el
metal obtenido de este modo se fundirá en forma de gotas pequeñas
de metal.
El polímero del cual está fabricada la
suspensión de polímero comprende, de manera adecuada, poliestireno,
polipropileno, polietileno, o acrilonitrilo butadieno estireno.
Preferentemente, el polímero comprende
poliestireno o polietileno.
El medio líquido utilizado en la suspensión de
polímero comprende, de manera adecuada, agua, alcohol o acetona.
Preferentemente, el medio líquido utilizado en la suspensión de
polímero comprende agua. Si se desea, pueden aplicarse mezclas de
estos medios líquidos.
Cuando se utiliza una suspensión de un polímero,
las gotas pequeñas de la solución del polímero son calentadas de
tal forma que el medio líquido utilizado en la suspensión de
polímero es eliminado completamente y el polímero así obtenido se
funde en gotas pequeñas de polímero.
La suspensión cerámica puede ser fabricada de
manera adecuada a base de un material cerámico seleccionado entre
el grupo compuesto por óxido de aluminio, óxido de zirconio, óxido
de magnesio, nitruro de boro, carburo de silicio, nitruro de
silicio y carburo de tungsteno.
Preferentemente, el material cerámico utilizado
en la suspensión cerámica comprende óxido de aluminio u óxido de
zirconio. Más preferentemente, se utiliza óxido de zirconio.
El medio líquido utilizado en la suspensión
cerámica, comprende de manera adecuada agua, alcohol o acetona.
Preferentemente, el medio líquido utilizado en la suspensión
cerámica comprende agua. Si se desea, pueden aplicarse mezclas de
estos medios líquidos.
Cuando se utiliza una suspensión cerámica en el
método según la invención, las gotas pequeñas de la suspensión
cerámica son calentadas de tal forma que el medio líquido utilizado
en la suspensión cerámica es eliminado substancialmente y se deja
que las gotas pequeñas restantes de la suspensión cerámica sean
depositadas en el substrato. En el contexto de la presente
invención, "substancialmente" significa que, por lo menos se
elimina el 50% del medio líquido utilizado en la suspensión
cerámica. Preferentemente, se elimina más del 70% del medio
líquido, más preferentemente se elimina más del 80% del medio
líquido.
En la fase (c) las gotas pequeñas pueden ser
calentadas de manera adecuada por medio de equipos de calentamiento
sin contacto, es decir equipos que calientan las gotas pequeñas sin
estar en contacto directo con las gotas pequeñas. Como ejemplos de
dichos equipos pueden citarse resistencias espirales de
calentamiento, dispositivos de microondas en caso de utilización de
soluciones acuosas, dispositivos de calentamiento por láser y de
calentamiento por induc-
ción.
ción.
Debe comprenderse que en la fase (c) las gotas
pequeñas están expuestas a una temperatura que es, por lo menos
igual a la temperatura de ebullición del medio líquido utilizado en
la solución o en la suspensión. Preferentemente, las gotas pequeñas
están expuestas a una temperatura en la fase (c) que es más elevada
que la temperatura de ebullición del medio líquido utilizado en la
solución o en la suspensión.
Cuando se utiliza una solución de una sal
metálica o un compuesto organometálico, o una suspensión metálica,
el medio líquido generalmente se evaporará a una temperatura
comprendida dentro de una gama de 50 a 200ºC, mientras que la
pirólisis de la sal metálica obtenida de la solución tendrá lugar
generalmente a una temperatura comprendida dentro de una gama de
100 a 1.000ºC, y el metal obtenido a partir de la suspensión se
fundirá generalmente a una temperatura comprendida dentro de una
gama de 500 a 1.500ºC.
Cuando se utiliza una suspensión cerámica o una
suspensión de un polímero, el medio líquido generalmente se
evaporará asimismo a una temperatura comprendida dentro de una gama
de 50 a 200ºC, mientras que el polímero obtenido de la suspensión
de polímero se funde generalmente a una temperatura comprendida
dentro de una gama de 80 a 300ºC.
Debe comprenderse que dichos márgenes de
temperatura dependen de la selección del medio líquido aplicado y
de la presión utilizada.
Según la presente invención pueden utilizarse de
manera adecuada una amplia variedad de substratos. Los ejemplos de
substratos adecuados incluyen metales, polímeros y materiales
cerámicos. Una de las principales ventajas de la presente invención
es el hecho de que puede utilizarse asimismo una amplia variedad de
substratos de bajo punto de fusión. Los ejemplos adecuados de
substratos de bajo punto de fusión incluyen polímeros tales como
polietileno y poliestireno.
Los expertos en la materia comprenderán que, en
la práctica, una vez que las pequeñas gotas han sido calentadas en
la fase (c), quedarán cargadas por medio de un electrodo de carga y
pasarán a continuación a través de unos medios de desviación
convencionales para asegurarse de que llegan a la posición prevista
en el substrato.
La técnica de impresión mediante gotas pequeñas
a utilizar de acuerdo con la presente invención, puede ser tanto
una técnica de impresión de gotas pequeñas continua, como una
técnica de impresión de gotas pequeñas bajo demanda. No obstante,
preferentemente, se utiliza una técnica de impresión de gotas
pequeñas continua.
En el método según la presente invención pueden
utilizarse equipos de impresión de gotas pequeñas conocidos en la
técnica, siempre que en el electrodo de carga anterior al flujo
estén situados medios de calentamiento para llevar a cabo la fase
(c). En el documento WO 2004/018212 A1 se describe un aparato
adecuado para llevar a cabo el método según la presente
invención.
La presente invención se refiere asimismo a
productos que han sido fabricados mediante la utilización del
método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 hasta que se
consigue la forma deseada del producto.
Los productos que pueden ser fabricados
utilizando el método según la presente invención incluyen cuerpos
bidimensionales y tridimensionales tales como aisladores eléctricos,
semiconductores, prototipos de funcionamiento, moldes, herramientas
y una gran variedad de artículos tales como joyas a medida, pistas
conductivas como, por ejemplo, las de tarjetas de circuitos
impresos, implantes médicos a medida y pequeñas piezas complejas de
ingeniería tales como rotores de bombas.
Claims (9)
1. Método para la aplicación de un material
sobre un substrato, utilizando una técnica de impresión de gotas
pequeñas, comprendiendo dicho método las fases de:
- (a)
- disponer una solución de un precursor del material o una suspensión del material;
- (b)
- generar gotas pequeñas de la solución o de la suspensión y liberar las gotas pequeñas en la dirección del substrato; y
- (c)
- calentar las gotas pequeñas antes de que sean depositadas en el substrato de modo que se consiga:
- (i)
- que el medio líquido utilizado en la suspensión haya sido eliminado completamente cuando la solución comprende una suspensión de un metal o un polímero, o que el medio líquido utilizado en la suspensión haya sido eliminado, por lo menos, en un 50% cuando la suspensión comprende una suspensión de un producto cerámico, con lo cual se permite que el material se funda cuando el medio líquido haya sido eliminado completamente; o
- (ii)
- que el medio líquido utilizado en la solución haya sido eliminado completamente, con lo cual se consigue de este modo la pirólisis del precursor y la fusión del material así obtenido cuando el precursor comprende una sal metálica.
2. Método, según la reivindicación 1, en el que
el precursor comprende una sal metálica o un compuesto
organometálico y la suspensión comprende una suspensión metálica,
una suspensión de un polímero o una suspensión cerámica.
3. Método, según la reivindicación 2, en el que
en la fase (a) se dispone una solución de una sal metálica.
4. Método, según la reivindicación 2 ó 3, en el
que el metal comprende níquel, cobre, oro, plata, platino, hierro,
aluminio o paladio.
5. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que el metal comprende níquel o
cobre.
6. Método, según la reivindicación 1 ó 2, en el
que el polímero comprende poliestireno, polipropileno, polietileno o
acrilonitrilo butadieno estireno.
7. Método, según la reivindicación 6, en el que
el polímero comprende poliestireno o polietileno.
8. Método, según la reivindicación 1 ó 2, en el
que la suspensión cerámica comprende un material cerámico
seleccionado entre el grupo consistente en óxido de aluminio, óxido
de zirconio, óxido de magnesio, nitruro de boro, carburo de
silicio, nitruro de silicio y carburo de tungsteno.
9. Método, según la reivindicación 8, en el que
el material cerámico comprende óxido de aluminio u óxido de
zirconio.
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