Сложная изогнутая 3D-форма, напечатанная на плоской нагревательной подушке, представляет собой баланс между тепловым контактом и геометрической свободой. Во многих случаях тепло подается неравномерно, поскольку обогреватель никогда не был спроектирован для этой конкретной формы. Появляется новая тенденция, когда нагревательный элемент не добавляется впоследствии, а создается непосредственно на поверхности. Проводящие чернила на основе углерода- позволяют печатать нагревательные схемы непосредственно на сложных поверхностях инструментов, выступая в качестве теплового слоя, который правильно соответствует геометрии.

Концепция трехмерной поверхности валика с нагревателем, напечатанным углеродными проводящими чернилами, представляет собой переход от дискретных нагревательных устройств к полностью интегрированным термическим системам, ориентированным на поверхность.


От жестких нагревателей до печатных термослоев
Традиционные системы отопления работают следующим образом:

Резиновые коврики силиконовые

Картриджные нагреватели со встроенным металлическим блоком

Керамические или слюдяные нагревательные пластины.

Резистивные элементы с металлической оболочкой

Эти решения эффективны, но по существу являются плоскими или ограничивают геометрию. Для изогнутых или неправильных 3D-инструментов термическая однородность обычно нарушается.

Печатные проводящие чернила обеспечивают альтернативный путь. Нагревательный элемент выполнен непосредственно на форме, не нагнетая тепло в форму.

Нагреватель сразу графически отображается на инструменте в виде принципиальной схемы.

Как работают углеродные проводящие нагреватели чернил
Проводящие чернила на основе углерода-обычно состоят из:

Углеродные нанотрубки или графеновые нанопластинки

Полимерное матричное связующее

Система растворителей для осаждения

Добавки для регулирования адгезии и отверждения

Эти чернила наносятся на подложку с помощью:

Трафаретная печать

Струйная печать

Маскирующие узоры с напылением

Он осаждается в виде вещества и отверждается при умеренной температуре с образованием непрерывной проводящей сети, заключенной в тонкую полимерную пленку.

При отверждении происходит электрический нагрев сопротивления, когда ток проходит через напечатанный рисунок.

Электрические свойства
Типичные диапазоны производительности:

Сопротивление листа: 10–100 Ом/□

Рабочее напряжение: системы от 12 до 48 В постоянного тока.

Настроенная геометрия диаграммы плотности мощности

Регулярное нанесение краски для контроля однородности

Поскольку их сопротивление относительно велико (по сравнению с металлами), эти системы часто работают при низком-напряжении, что повышает безопасность эксплуатации в прототипах и компактных инструментах.

Конформный нагрев 3D-поверхностей
Геометрическая однородность — одна из наиболее важных особенностей печатных нагревателей на основе углерода.

Слои печатной краски можно укладывать в отличие от плоских матов с подогревом:

Формы изогнутые

Инструменты для аддитивного производства

Сложные поверхности полости

Не-плоская геометрия пластины

Это обеспечивает полную интеграцию теплового проектирования, при этом нагрев повторяет точную форму компонента, а не аппроксимирует ее.

В результате образуется тонкий однородный тепловой слой, снижающий сопротивление термоинтерфейса.

Термические и механические преимущества
Функциональными преимуществами нагревателей на основе печатного углерода- являются:

Низкая тепловая масса
Напечатанный слой имеет незначительную тепловую инерцию при толщине обычно в десятки микрон. Это позволяет:

Быстрая термическая реакция

Быстрые циклы нагрева и охлаждения

Снижение потерь энергии при хранении

Очень хорошая геометрическая адаптируемость.
Нагревательный элемент размещается непосредственно на поверхности, поэтому при установке внешнего нагревателя не возникает механического напряжения сцепления.

Возможные защитные покрытия
После отверждения его можно защитить слоем, например, ПТФЭ, или полимерным верхним слоем, чтобы:

Повышение химической стойкости

Сделать более устойчивым к истиранию

Сохранение целостности поверхности во время езды на велосипеде

Основные инженерные проблемы
Несмотря на огромные перспективы, существуют серьезные технические препятствия на пути внедрения технологии нагревателей углеродных чернил в промышленные системы.

Равномерность сопротивления в сложной геометрии
Поддерживать равномерное сопротивление листа на изогнутой или неровной поверхности может быть сложно по следующим причинам:

Изменение подачи чернил

Локальные изменения толщины

Изменение поверхностной энергии подложки

Не-неравномерное сопротивление может привести к не-неравномерным профилям нагрева.

Адгезия и стабильность термического цикла
Долгосрочная надежность зависит от прочного сцепления между:

Слой углеродных чернил

Материал подложки (металл, полимер, композит)

Защитные верхние слои покрытия

Повторяющиеся циклы нагрева без устранения механического несоответствия могут привести к микротрещинам или расслоению.

Ограничения масштабирования мощности
Печатные угольные нагреватели обычно работают при низком напряжении, поэтому, если вы хотите перейти на промышленный уровень мощности, вам необходимо:

Узоры с большей проводящей площадью

Архитектуры цепей параллельны.

Проектирование зоны распределенного обогрева

Это ограничивает его прямое использование в приложениях с высокой-мощностью, однако он подходит для специализированных инструментов и прототипов.

Потенциал применения в горячей оснастке
Технология особенно хорошо подходит для:

Быстрое прототипирование нагретой формы

Инструменты аддитивного производства со встроенным нагревательным элементом.

Лабораторное оборудование (по индивидуальному заказу)

Инструменты для мелкосерийного производства

- Сложная геометрия, которой не могут соответствовать стандартные обогреватели.

Это позволяет в некоторых случаях печатать генерацию тепла непосредственно на поверхности инструмента, что значительно снижает сложность сборки.

Гибкость в производстве и дизайне
С печатными нагревательными системами у вас может быть совершенно другой рабочий процесс проектирования:

Тепловой рисунок, разработанный в цифровом формате

3D печать на поверхности

Вылечено, чтобы сделать функциональную схему

Протестировано и электрически подключено

Эта стратегия снижает зависимость от предварительно-сформированных нагревательных элементов и позволяет быстро повторять температурные расчеты.

3.4 Перспективы на будущее
Предполагается, что эволюция составов проводящих чернил приведет к многочисленным разработкам:

Графеновые композиты с более высокой проводимостью

Полимерные связующие, устойчивые к повышенным температурам

Многослойные-архитектуры печатного обогрева

Встроенный датчик и нагревательные слои

Роботизированное осаждение на сложные 3D-поверхности с помощью автоматизации

Эти достижения потенциально могут привести к проектированию и производству тепловых систем с использованием рабочих процессов, сопоставимых с теми, которые используются в печатной электронике.

Краткое содержание
Проводящие чернила на основе углерода-открывают путь к системам прямой печати для сложных поверхностей 3D-валиков. Этот метод печати нагревателя углеродных проводящих чернил на трехмерной поверхности валика меняет способ создания и прототипирования индивидуальных нагреваемых инструментов, позволяя создавать тонкие, гибкие и цифровые тепловые схемы.

По-прежнему существуют трудности с однородностью, долговечностью и масштабированием мощности, но этот метод является привлекательным шагом на пути к быстрой,-управляемой геометрией теплотехнике. В этой новой парадигме нагревательные элементы больше не являются отдельными компонентами, а являются интегрированными характеристиками самой поверхности, что, возможно, делает изготовление индивидуальных термоинструментов таким же простым, как печать файла дизайна.

Следующее поколение нагретых поверхностей может быть не построено, а напечатано слой за слоем, как схема, нарисованная непосредственно на физической среде.