Characterization of a high performance photocurable resin and development of its conductive nanocomposite for stereolithography of MEMS

In the recent years, additive manufacturing has become an attractive production method that has many advantages over the more widespread subtractive methods. The most evident advantage is the possibility to produce any object, virtually without geometrical limitations. Among the additive manufacturing processes, stereolithography enables the manufacturing of small items with miniaturized features with an extraordinary precision. In this work, a novel commercial resin was used. Its formulation as well as its physical and mechanical properties as a function of printing parameters were unknown. However, it was known its good thermal stability, which was better than that of other commercial resins such as Precisa DL260 used as a benchmark in this study. For this reason, it was fully characterised. The high precision of stereolithography, together with the thermal stability of the resin, were exploited to produce customised MEMS-like sensors. However, stereolithography is suitable only for few materials called photopolymers. They are insulating materials, so it is evident the necessity to add electrically conductive sections to the 3D-printed objects. Other works suggest the addition of metal coatings by electroless deposition and subsequent wet metallization or by inkjet printing; in this work the use of carbon nanotubes was investigated. In particular, they were added to the photocurable resin in order to obtain a photocurable electrically conductive nanocomposite for the creation of electroactive sections in MEMS devices. Furthermore, different types of nanotubes were studied: pristine ones, amino-functionalised ones and silver-decorated ones. The result is the achievement of a seven orders of magnitude improvement in conductivity with respect to the commercial photopolymer. Several MEMS-like sensors prototypes were 3D-printed too, and sensing components were added through inkjet printing.

Negli ultimi anni, la manifattura additiva si è dimostrata una tecnologia di produzione promettente in quanto presenta numerosi vantaggi rispetto alle più diffuse tecnologie di manifattura sottrattiva. Il vantaggio più evidente è la possibilità di produrre qualsiasi oggetto, virtualmente senza alcuna limitazione geometrica. Tra i processi di manifattura additiva, la stereolitografia rende possibile la produzione di piccoli oggetti con elementi miniaturizzati con una precisione straordinaria. In questo lavoro è stata utilizzata una innovativa resina commerciale. La sua formulazione, così come le sue proprietà fisiche e meccaniche in funzione dei parametri di stampa, erano sconosciute. Tuttavia, ciò che era noto era la sua buona stabilità termica, migliore di quella di altre resine commerciali come la Precisa DL260, utilizzata come riferimento in questo lavoro. Per questo motivo è stata caratterizzata nella sua interezza. L’alta precisione della stereolitografia, insieme alla stabilità termica del materiale hanno reso possibile la produzione di sensori simil-MEMS personalizzati. Tuttavia, la stereolitografia è adatta solo per pochi materiali detti fotopolimeri. Questi sono materiali isolanti, pertanto appare evidente la necessità di aggiungere parti elettricamente conduttive agli oggetti stampati in 3D. Altri lavori suggeriscono l’utilizzo la metallizzazione attraverso processi chimici seguiti da elettrodeposizione oppure l’utilizzo di stampa a getto d’inchiostro; nel presente lavoro è stata investigata la possibilità di impiegare nanotubi di carbonio. In particolare, sono stati aggiunti alla resina fotoattiva per ottenere an materiale nanocomposito conduttore e fotocurabile per la creazione di parti elettroattive sui MEMS. Inoltre, diversi tipi di nanotubi sono stati studiati: puri, funzionalizzati con gruppi amminici, decorati con argento. Il risultato è il miglioramento della conduttività della resina commerciale di sette ordini di grandezza. Diversi prototipi di sensori simil-MEMS sono stati stampati in 3D e su di essi sono stati aggiunti componenti sensibili attraverso stampa a getto d’inchiostro.