Pneumatically actuated high temperature resistant printhead for molten metals based on the ...

161 Pages·2016·6.87 MB·English

by  Nils Lass

Pneumatically actuated high temperature resistant
printhead for molten metals based on the
StarJet principle

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
der Technischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität
Freiburg im Breisgau

Vorgelegt von
Nils Lass (Diplom Ingenieur)

Freiburg im Breisgau 2016
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Dekan
Prof. Dr. Georg Lausen

Referenten
Prof. Dr. Roland Zengerle (Freiburg)
Prof. Dr. Holger Reinecke (Freiburg)

Tag der Abgabe: 02.06.2016
Tag der Prüfung: 21.07.2016

Nils Lass

IMTEK - Institut für Mikrosystemtechnik
Lehrstuhl für Anwendungsentwicklung
Technische Fakultät
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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Abstract
This thesis reports on the design and characterization of printheads that allow for generating
molten metal micro droplets, based on the StarJet technology. The interest in 3D printing has
strongly increased during the last few years and is also becoming more and more common in even
more industrial sectors [1]. For the additive generation of three dimensional polymer structures
different printing technologies have been presented and successfully established on the market.
However, for the generation of metal structures only powder-based laser processes are available so
far. Main disadvantages are the high investment costs and the large size of these machines, which
renders access to new industrial sectors challenging. For that reason a printing technology, capable
of directly printing metal structures from various raw materials, would enable to achieve a step-
change in development. Beside the use as rapid prototyping system, such a printing technology could
be utilized in numerous other fields of industry like e.g. the electronics or solar industry for the direct
generation of various types of electrical interconnections.
Core of the so-called StarJet printhead technology is a silicon nozzle chip comprising a star-
shaped nozzle orifice which is fabricated by MEMS processes. The main advantages of the printhead
result from the combination of this unique star-shaped nozzle design with a pneumatic actuation
principle. Through the star-shaped channels an inert gas flow can be established which constricts the
liquid metal column when it enters the star shaped nozzle orifice and hence facilitates a necking of
the liquid column in that region. The gas flow further shields the liquid metal from oxidation as it gets
separated into individual droplets. After tear off, the droplets stay centered by capillary forces
resulting from the star- shaped structure until they are ejected. This so-called StarJet principle
enables to generate droplets either individually actuated in Drop-on-Demand mode (DoD), or by
applying a constant pressure on the reservoir resulting in a continuous droplet generation in the so
called Continuous mode (CM). The StarJet principle is the first printing technology for liquid metal
which provides those two operation modes. With the printhead version V2 and V3 this is
demonstrated at frequencies up to 60 Hz in DoD and 10 kHz in CM mode. In both operation modes
the generated droplets are highly uniform (CV < 3.8 %) and adjustable in size (diameters between
35 µm and 360 µm) by the type of nozzle chip orifice diameter.
The nozzle chips are fabricated using silicon micromachining and especially employing Deep
Reactive Ion Etching (DRIE). The fabrication process has been continuously optimized to ensure a
high structure quality of the nozzle chip orifices. The current fabrication process enables the
production of nozzle chips with a minimum feature size of 6 µm with an aspect ratio of up to 33.
Applying this process enables the fabrication of chips with nozzle orifice diameters down to 30 µm.
Staring from the printhead versions V0 and V1 which are regarded as State of the Art, two further
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printhead revisions V2 and V3 have been developed during this work. The final version V3 of the
printhead is made of stainless steel providing a high mechanical and thermal stability and is
fabricated by an adapted selective laser melting process. That allows for the fabrication of buried gas
channels integrated in the sidewalls of the printhead. These channels enable the pre-heating of the
required actuation gas streams to ensure a homogeneous operating temperature of the entire
printhead during droplet ejection.
In this work both operation modes of the printhead are extensively characterized at 320°C using
solder as printing material. In this context the influence of the different actuation parameters, such
as the temperature of the melt or the pressure values applied for actuating and rinsing the
printhead, on the resulting droplet generation is investigated.
It is found that the droplet generation frequency utilizing the continuous mode strongly depends
on the amplitude of the actuation pressure. The droplet generation frequency can be controlled for
each chip design within a certain frequency range in an almost linear manner, with a maximum
coefficient of variation of 23%. The adjustable frequency range additionally strongly depends on the
geometry of the reservoir outlet tubes (ROT). It was found that decreasing the fluidic resistance of
the ROT as well as smaller nozzle orifice diameters lead to increasing droplet generation frequencies.
For operating the printhead in Drop-on-Demand (DoD) mode a theoretical approximation is
presented to calculate suitable actuation pressure values. According to this approximation the
droplet generation process only depends on applied actuation pressure values and is independent of
the duration of the applied pressure pulse, which is confirmed by the results of the characterization.
It is found that the minimum actuation pressure required for generating droplets (with the same type
of nozzle chip) in DoD mode is more than 5 times lower than for the droplet generation in continuous
mode.
The StarJet printhead is mounted into an axis system featuring a heatable substrate holder. With
this printing system the influence of the individual printing parameters on the properties of the
printed structures are studied. It is shown that the merging process of the printed droplets after
impact strongly depends on the substrate temperature and the adjusted pitch values. By performing
a parameter study parameters are found enabling the printing of three-dimensional structures with
demonstrated edge lengths of up to 5 mm and an average 3D surface roughness of less than 10 µm.
The printhead is evaluated at different operating temperatures using higher melting metal
alloys. Supplying ZAMAK (Zn96Al4, 𝑇 = 420°C) at 550°C in combination with a nozzle chip
melt
featuring a nozzle chip diameter of 𝐷 = 144 μm enables the generation of ZAMAK droplets
nozzle
with 𝐷 = 180 μm. However, due to chemical interaction of molten metal with silicon the
droplet
nozzle chip is dissolved over time. Consequently, two approaches to passivate the nozzle chip are
investigated to evaluate the feasibility of printing molten aluminum. First, the surface of the nozzle
chip is coated with a zirconium dioxide layer and, second, a nitride layer is applied by chemical vapor
deposition in a bulk process. Both methods can be used on unstructured surfaces to inhibit the
dissolution of the silicon. However, neither of them can be applied without further optimization
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inside the bypass channels and nozzle grooves due to the small dimensions of the nozzle chip
features. Hence, the final printing experiments with molten aluminum (𝑇 = 650°C) at a
melt
temperature of 850 °C failed for this reason. Nevertheless, the experiment proves that printheads
based on the StarJet principle are in general capable of being operated at higher temperatures and
provide a good basis for further studies.

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Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit berichtet über die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines
neuartigen pneumatisch betriebenen Druckkopfes der die direkte Erzeugung metallischer Strukturen
ermöglicht. Der präsentierte Druckkopf ist in der Lage, basierend auf dem StarJet Prinzip,
freifliegende Mikrotropfen aus geschmolzenen Metallen zu erzeugen. Da das Interesse an 3D
Drucktechnologien in den letzten Jahren stark zugenommen hat wurden unzählige Konzepte für die
additive Fertigung von Polymerstrukturen entwickelt [1]. Viele dieser Verfahren sind mittlerweile
kommerziell verfügbar und werden in zunehmend mehr Industriebereichen erfolgreich eingesetzt.
Für die Erzeugung metallischer Strukturen stehen bisher allerdings nur pulverbasierte Laserprozesse
zur Verfügung. Bei diesen Anlagen erschweren die hohen Kosten und die durch die Funktionsweise
bedingte große Bauweise den Zugang zu neuen Märkten. Ein Druckkopf der in der Lage ist Strukturen
direkt aus der Metallschmelze zu erzeugen würde daher in vielen Industriebereichen einen
Entwicklungssprung ermöglichen. Neben dem Einsatz als Rapid Prototyping Verfahren könnte so ein
Druckkopf in zahlreichen anderen Zweigen der Industrie seinen Einsatz finden, beispielsweise in der
Elektronik oder Solarindustrie zum Erzeugen elektrischer Verbindungen.
Das Kernelement des sogenannten StarJet Technologie ist der in Siliziumtechnologie hergestellte
Düsenchip. Dieser verfügt über eine sternförmige Düsenöffnung die dazu führt, dass das einfließende
Metall durch Kapillarkräfte zentriert wird. Zusätzlich ermöglicht die Geometrie dieses Chips die Säule
aus geschmolzenem Metall im Inneren des Chips mit einem passivierenden Gasstrom zu umschließen
und somit vor Oxidationen zu schützen, während sie in Tropfen zerlegt wird. Die Tropfenerzeugung
kann dabei wahlweise einzeln erzeugt im Drop-on-Demand Modus (DoD), mit aktuell maximal 60 Hz,
oder kontinuierlich durch Beaufschlagen des Reservoirs mit einem konstanten Druckes mit
Frequenzen von bis zu 10000 Hz im sogenannten Continuous Modus stattfinden. Das StarJet System
ist somit die erste Drucktechnologie für geschmolzene Metalle die über zwei Betriebsmodi verfügt.
Die Tropfen weisen dabei in beiden Modi eine sehr einheitliche Größe auf (CV<3,8 %) und können
durch die Wahl des Düsenchips mit Durchmessern zwischen 35 µm und 360 µm erzeugt werden.
Die Düsenchips werden unter Verwendung eines MEMS Prozesses hergestellt der im Verlauf der
Arbeit mehrfach optimiert wurde um eine hohe Strukturgüte der sternformigen Düse zu realisieren.
Der derzeitig verwendete Prozess erlaubt die Herstellung von Düsenchips mit minimalen
Düsendurchmessern von 30 µm bei einer Dicke des Chips von 300 µm. Aufbauend auf den Druckkopf
Versionen V0 und V1 die im State oft he Art beschrieben sind wurden zwei weitere Versionen V2 und
V3 im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Die aktuelle Version V3 wird mittels Selective Laser Melting
(SLM) hergestellt und besteht aus Edelstahl. Das ermöglicht es Kanäle zum vorheizen der
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Betriebsgase im inneren der Seitenwände des Druckkopfes zu integrieren. Somit kann während des
Betriebes eine gleichmäßige Temperatur im Bereich des Düsenchips gewährleistet werden.
Im Verlauf dieser Arbeit wird der Druckkopf, bei Temperaturen von 320°C unter der
Verwendung von Lötzinn als Druckmedium in beiden Betriebsmodi umfangreich charakterisiert.
Dabei werden die Auswirkungen der einzelnen Betriebsparameter auf den
Tropfengenerierungsmechanismus untersucht. Es wird gezeigt, dass die Tropfengenerierungs-
frequenz annähernd linear mit dem eingestellten Betriebsdruck korreliert und für jedes Chipdesign
innerhalb eines bestimmten Bereiches mit einem maximalen Variationskoeffizient von 23 %
eingestellt werden kann. Neben dem Chipdesign hängt der dabei zur Verfügung stehende
Frequenzbereich zusätzlich stark von der Geometrie des Reservoir Outlet Tubes (ROT) ab. Es wird
gezeigt, dass hierbei eine Abnahme des fluidischen Widerstandes des ROT sowie kleinere
Düsendurchmesser zu einer Erhöhung dieses Frequenzbereiches führen.
Um geeignete Parameter für den Betrieb des Druckkopfes in Drop-on-Demand (DoD) Modus
abzuschätzen wird ein theoretisches Model vorgestellt. Gemäß diesem Model ist der Prozess der
Tropfenerzeugung im DoD Modus einzig von den angelegten Druckwerten abhängig und wird nicht
durch die Länge des Pulses beeinflusst was durch die Ergebnisse der Charakterisierung belegt wird.
Dabei zeigt sich weiterhin, dass der zum Betrieb des Druckkopfes im DoD Modus benötigten Druck
(unter Verwendung eines baugleichen Düsenchips) mehr als 5-mal geringer ist als im
kontinuierlichen Modus.
Der Druckkopf wird mit einem Achsensystem kombiniert welches über einen beheizbaren
Substrathalter verfügt. Mit diesem Drucksystem werden im Folgenden die Einflüsse einzelnen
Druckparameter auf die Eigenschaften der gedruckten Strukturen, wie Oberflächengüte und
Porosität, untersucht. Es wird gezeigt, dass das Zusammenschmelzen beim Auftreffen der einzelnen
Tropfen stark von der Temperatur des Substrates sowie den verwendeten Pitch Werten abhängt.
Mittels einer Parameterstudie werden dabei Parameter ermittelt die es ermöglichen
dreidimensionale Strukturen mit einer Kantenlänge von bis zu 5 mm und einer Oberflächengüte
besser 10 µm zu erzeugen.
Abschließend wird der Druckkopf bei höheren Temperaturen getestet. Dabei wird der Druckkopf
mit ZAMAK (Zn96Al4, 𝑇 = 420°C) bei 550°C betrieben und unter Verwendung eines
𝑆𝑐ℎ𝑚𝑒𝑙𝑧𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡
Düsenchips mit einer Düsenöffnung von 144 µm werden Tropfen mit Durchmessern von 180 µm
erzeugt. Jedoch wird im Verlauf dieser Versuche der Düsenchip zersetzt, da das Material des
Düsenchips eine Verbindung mit dem geschmolzenen Metall eingeht. Infolgedessen werden zwei
Ansätze zur Passivierung des Düsenchips untersucht die es ermöglichen die Reaktion des Siliziums
mit den geschmolzenen Metallen zu unterbinden. Hierfür wurde zum einen eine Schicht aus
Zirkonium auf der Oberfläche des Chips aufgebracht und zum anderen der gesamte Chip mittels
eines CVD Prozesses mit Nitrid beschichtet. Beide Methoden verhindern bei Vorversuchen
erfolgreich die Reaktion von geschmolzenem Aluminium (𝑇 = 650°C) mit der
𝑆𝑐ℎ𝑚𝑒𝑙𝑧𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡
Oberfläche der Siliziumchips. Jedoch scheitert der abschließende Versuch mit dem Druckkopf
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Tropfen aus geschmolzenem Aluminium bei Temperaturen von 850 °C zu erzeugen, da es mit beiden
Methoden nicht gelingt eine geschlossene Schicht auf der Oberfläche der Bypasskanäle und
Düsenkanälen des Düsenchips aufzubringen. Die Versuche zeigen jedoch, dass der entwickelt StarJet
Druckkopf generell bei hohen Temperaturen betrieben werden kann und somit eine gute Basis für
weitere Arbeiten darstellt.

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List of Publications
Publications in Peer Reviewed Journals

 N. Lass, L. Riegger, R. Zengerle, P. Koltay, Enhanced liquid metal
micro droplet generation by pneumatic actuation based on the
StarJet method, 2012 Micromachines, Band:4, Seiten: 49 - 60
 Tropmann, N. Lass, N. Paust, T. Metz, C. Ziegler, R. Zengerle, P.
Koltay, Pneumatic Dispensing of Nano- to Picoliter Droplets of Liquid
Metal with the StarJet Method for Rapid Prototyping of Metal
Microstructures 2012 Microfluid Nanofluid, Band: 12, Seiten: 75 - 84
Publications at National and International Conferences
 N. Lass, B. Gerdes, M. Jehle, L. Riegger, R. Zengerle, P. Koltay,
Generation of high aspect ratio metal microstructures exhibiting low
surface roughness by drop-wise printing of liquid metals, 2015 29th
Eurosensors Conference , 6-9 September, Freiburg Germany
 N. Lass, A. Tropmann, A. Ernst, R. Zengerle, P. Koltay, Rapid
prototyping of 3D microstructures by direct printing of liquid metal
at temperatures up to 500°C using the starjet technology , 2011 16th
International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems
Conference (TRANSDUCERS), 5-9 June 2011, Beijing China
 Nils Lass, Lutz Riegger, Andreas Ernst, Roland Zengerle and Peter
Koltay, Enhanced Liquid Metal Micro Droplet Generation By
Pneumatic Actuation Based On The Starjet Method, Microfluidic
Handling Systems Konference 2012 Enschede Netherlands
 N. Lass, A. Tropmann, L. Riegger, R. Zengerle, P. Koltay, 3D Rapid-
Prototyping durch Drucken von flüssigem Metall unter Verwendung der
StarJet Technologie , 2011 Mikrosystemtechnik-Kongress, Darmstadt,
Deutschland, October 10-12 , Seiten: 193 - 196
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