3D-geprinte slimme dop detecteert zure melk

Een slimme dop vertelt of de inhoud van een verpakking (zoals melk) nog geschikt is voor consumptie. Deze 'Smart Cap' is bovendien vervaardigd via 3D-printen, wat tal van voordelen biedt.

Onderzoekers van UC Berkeley hebben samen met collega's aan de National Chiao Tung University van Taiwan een protocol ontwikkeld voor de productie van 3D-geprinte micro-elektronica. Om de toepasbaarheid van dergelijke 3D-geprinte micro-elektronica aan te tonen, werd een prototype ontwikkeld: de Smart Cap, een 3D-geprinte dop die de kwaliteit van vloeibare voedingsproducten draadloos en passief kan meten en opvolgen.

Productie

Om de slimme dop te produceren, werd eerst een 3D-geprinte polymeerstructuur geconstrueerd, waarin bepaalde microkanalen en holtes werden uitgespaard door gebruik te maken van was als ‘steunmateriaal’ dat na het printen werd opgelost en verwijderd. In die uitsparingen werd een vloeibare metaalpasta (zilver) geïnjecteerd om elektrisch geleidende structuren te vormen. Ten slotte werd de metaalpasta uitgehard.

Werkingsprincipe

Het prototype van de slimme dop, die op een karton melk past, bevat een ingebouwd LC-circuit dat dienst kan doen als passieve, draadloze sensor. Door de verpakking kort ondersteboven te houden, komt een kleine hoeveelheid vloeistof tussen de twee elektroden van de condensator terecht, waar het als diëlektrisch materiaal fungeert. De resonantiefrequentie van het LC-circuit wordt bepaald door de diëlektrische constante van het voedingsproduct, die op zijn beurt beïnvloed wordt door de degradatie van het product. De waarde van de resonantiefrequentie, uitgelezen via een radiofrequentielezer, geeft informatie over de versheid van het vloeibare voedingsproduct.

Praktijktest

Dat de ‘Smart Cap’ ook effectief werkt, toonden de onderzoekers aan door veranderingen in de resonantiefrequentie op te volgen in functie van de bewaartijd van melk op kamertemperatuur (22 °C) en van gekoelde melk (4 °C). De resonantiefrequentie bleef nagenoeg constant in het staal dat koel bewaard werd, maar daalde met 4.3 procent na 36 uur bewaring op kamertemperatuur.

Drempelverlagende technologie

De flexibiliteit van het 3D-printen zorgt ervoor dat een uitgebreid gamma aan micro-elektronische componenten (zoals weerstanden, condensatoren en inductoren) kan geproduceerd worden.

De technologie maakt ontwikkelingen zoals de Smart Cap bovendien goedkoper, waardoor beter haalbaar voor grootschalig gebruik in voedselveiligheid. Naast toepassingen in de verpakking van voedingsproducten, biedt de combinatie van 3D-printen en het injecteren van een vloeibare metaalpasta ook mogelijkheden naar andere toepassingen, bijvoorbeeld de ontwikkeling van slimme implantaten, die via elektrische circuits bepaalde informatie in het lichaam kunnen doorgeven. Op termijn zouden consumenten ten slotte ook hun eigen bruikbare elektronische circuits of draadloze sensoren zelf thuis kunnen creëren en printen.

Ook Sirris heeft in haar SMALL-Lab de nodige knowhow in huis rond de fabricage van kleine producten met interne kanalen, voorzien van micro-elektronica. Bedrijven die interesse hebben in dergelijke ontwikkelingen kunnen hier terecht!

(Foto: Sung-Yueh Wu)