CN105855552B - 蘸吸微喷式液态金属打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蘸吸微喷式液态金属打印装置，包括机架、印墨机头、吸管式喷嘴、样品台、墨池、气体正负压装置和控制单元；样品台和墨池相邻放置，机架位于样品台和墨池上方，机架上设置有印墨机头，机架与控制单元连接；印墨机头下端设置有吸管式喷嘴，所述吸管式喷嘴包括长吸管，长吸管上端与气体正负压装置连通。本发明提出的蘸吸微喷式液态金属打印方法及装置，利用蘸吸式的方法，解决了传统直写式液态金属打印设备要将墨盒固定于移动组件的缺陷，提高了设备的稳定性和可维护性，而微喷的方式则有效避免了传统喷涂式液态金属打印对周围环境的沾污和污染，提高了液态金属材料的使用效率。

Description

蘸吸微喷式液态金属打印装置及打印方法

技术领域

本发明属于印刷领域，具体涉及一种金属喷涂打印的方法及采用的装置。

背景技术

液态金属是一系列低熔点金属及合金材料的统称，在拥有导电性的同时，在室温或较低的加热温度下就能够处于液体状态，因此液态金属十分适于以打印的方式印制在各类基底材料表面，从而为电子线路的快速增材制造提供一种有效的新途径。相对于传统覆铜印制电路的加工，液态金属印制电路没有电化学腐蚀过程，更加节能环保，并且适合各类柔性基底材料，适合电路的快速打样验证，在导电线路和修改和回收上也具有独特优势。

目前液态金属的印制方式大致可以分为直写和喷涂两种类型。直写法能够直接在基底表面形成液态金属导电图形，但是由于需要液态金属需要依靠重力向下流动，因而液态金属墨盒需要安装在打印装置的移动部件上，在更换墨盒时十分不便；喷涂法则需要使用掩膜，并且在喷雾的过程中，飘散的液态金属微滴容易沾染周围环境，带来不必要的污染。

此外由于缺少温控装置，因此不论是直写式还是喷涂式液态金属打印设备，都无法对熔点高于室温的金属或合金进行喷涂。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种灵活、精细、易于维护的蘸吸微喷式液态金属打印方法及装置。

实现本发明目的的技术方案为：

一种蘸吸微喷式液态金属打印装置，其特征在于：包括机架、印墨机头、吸管式喷嘴、样品台、墨池、气体正负压装置和控制单元；所述样品台和墨池相邻放置，所述机架位于样品台和墨池上方，机架上设置有印墨机头，机架与控制单元连接；

在所述的印墨机头下端设置有吸管式喷嘴，所述吸管式喷嘴有1～10个，所述吸管式喷嘴包括长吸管结构，长吸管上端与气体正负压装置连通，所述长吸管由不锈钢、塑料、陶瓷、玻璃、尼龙材质中的一种或多种制成。

其中，所述的机架为机械悬吊器件，安装有印墨机头并带动其在水平平面及垂直方向上移动，其带动印墨机头移动的传动方式包括皮带传动、丝杠传动、连杆传动方式中的一种或多种。

本发明中，所述的气体正负压装置用于产生正压或负压，并在控制装置的控制下进行切换，以使喷嘴能够吸取或喷出液态金属墨水。其中，所述长吸管上端通过气路管道与气体正负压装置连通，所述气体正负压装置包括在气路管道上设置的三个常闭电磁阀(常闭电磁阀即非工作状态下将两端封闭阻断的电磁阀)，其中第一电磁阀连接有正压泵，第二电磁阀连接有负压泵，第三电磁阀与大气相通；在气路管道上还设置有压力传感器。

所述的样品台为一放置打印基底材料的平台，其有效打印范围是由悬吊在机架上机头的移动范围决定。

所述的墨池为一上方开口的槽型或腔型容器，用于盛放液态金属墨水，整体位于所述样品台的旁边，其上方开口处在机头移动范围内，可供机头上的吸管式喷嘴伸入并吸取液态金属墨水。

优选地，所述蘸吸微喷式液态金属打印装置还设置有加热单元，其中，所述加热单元包括分布于印墨机头外侧、样品台和墨池下方、以及吸管式喷嘴外周的多个电热丝。加热单元所述的加热装置用于为机头、墨池、样品台提供加热并维持一定的温度范围，从而保证在使用熔点高于室温的液态金属材料时，也能够流畅的吸取和喷出液态金属墨水。

所述的控制装置为一块或若干块执行控制程序的电路，用于接收打印图形指令，并控制机架上悬吊的机头的移动、升降，切换喷头气路内的正负压以实现对液态金属墨水的吸取或喷出，以及调节控制加热装置等。

一种蘸吸微喷式液态金属打印方法，采用本发明提出的蘸吸微喷式液态金属打印装置，包括步骤：

将基底材料置于样品台，通过人工操作或上位机软件向控制单元输入打印图形指令，印墨机头即根据图形在墨池与样品台之间来回移动：当机头移至墨池上方时，机头下降使吸管式喷嘴深入墨池，控制电路将吸管式喷嘴内气路切换至负压，从而吸取一定量的液态金属墨水，随后机头升起并移至样品台待打印图形上方，再次降下式吸管式喷嘴接近基底材料上表面，控制电路将吸管式喷嘴内气路切换至正压，将内部的液态金属墨水喷出至基底材料上表面(在喷墨过程中，机头可以移动，并在控制电路对正负压的控制下随时暂停或重启喷墨，从而在基底材料上表面打印出连续或间断的液态金属线条)，直至吸管式喷嘴内的液态金属墨水全部喷出，则再次回到墨池重复吸取液态金属墨水。

其中，所述墨池内放置熔点在200摄氏度以下的金属材料、或熔点在200摄氏度以下的金属材料和纳米或微米颗粒复合的材料。

优选地，所述金属材料选自镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋铟锡锌合金中的一种。

其中，所述基底的材料为高分子聚合物、纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材、固体金属、合金中的一种，所述高分子聚合物选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶中的一种。

其中，加热单元的温度控制范围在15-300摄氏度。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的蘸吸微喷式液态金属打印方法及装置，利用蘸吸式的方法，解决了传统直写式液态金属打印设备要将墨盒固定于移动组件的缺陷，提高了设备的稳定性和可维护性，而微喷的方式则有效避免了传统喷涂式液态金属打印对周围环境的沾污和污染，同时也提高了液态金属材料的使用效率，加热控温装置则进一步扩大了可选用的液态金属材料范围，且目前在国内外尚无采用这一独特设计的方法和装置。

附图说明

图1为本发明蘸吸微喷式液态金属打印装置的结构示意图，

图2为本发明蘸吸微喷式液态金属打印装置中气体正负压装置的结构示意图，

其中，101为机架，102为印墨机头，103为样品台，104为墨池，105为气体正负压装置，106为加热单元，107为控制单元，108为吸管式喷嘴，109为液态金属墨水，110为基底材料；201为长吸管，202为气路管道，203为第一电磁阀，204为第二电磁阀，205为第三电磁阀，206为微型正压泵，207为微型负压泵，208为压力传感器。

具体实施方式

以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1：

一种倒置式液态金属喷涂打印装置，包括机架101、印墨机头102、吸管式喷嘴、样品台103、墨池104、气体正负压装置105和控制单元107；样品台和墨池相邻放置，机架101位于样品台和墨池上方，机架上设置有印墨机头102，机架与控制单元107连接；

在所述的印墨机头下端设置有吸管式喷嘴108，所述吸管式喷嘴有1个，所述吸管式喷嘴包括长吸管，长吸管201上端与气体正负压装置连通(吸管的下端为朝向样品台的一端)。

本实施例中，整个蘸吸微喷式液态金属打印装置结构如图1所示，其中机架101采用XYZ三轴滚珠丝杠导轨，机头102固定于其上，样品台103与墨池104均为不锈钢制成，气体正负压装置105通过气路管道与机头上的吸管式喷嘴108相连通，加热单元106包括分布于机头102、样品台103、墨池104以及吸管式喷嘴108外周的一系列电热丝，控制装置107是一块电路板，通过连线分别对机架101、机头102、气体正负压装置105和加热单元106进行控制，液态金属墨水109为铋铟锡合金，基底材料110为1mm厚的PDMS。

本实施例中，蘸吸微喷式液态金属打印装置上的气体正负压装置的实现方式如图2所示，长吸管201连接PLA(聚乳酸)经3D打印制成的气路管道202，气路管道202上设置三个常闭电磁阀，其中第一电磁阀203连接微型正压泵206、第二电磁阀204连接微型负压泵207、第三电磁阀205有一端与大气相通。气路管道202连通有气压传感器208。

当设备启动但没有进行打印时，第三电磁阀205打开，第一电磁阀203与第二电磁阀204均关闭；当不锈钢制的长吸管201浸入液态金属墨水开始吸墨时，第三电磁阀205关闭，第二电磁阀204打开并启动微型负压泵207，根据程序对吸取墨量的要求，当气压传感器208检测到气路管道202内的负压达到相应值时，即关闭第二电磁阀204；待吸墨后的吸管式喷嘴离开墨水后并抵达基底材料待打印区域上方时，打开第一电磁阀203和微型正压泵206，并根据喷墨量及线条连续性的要求，向气路管道202内提供相应的正压脉冲；根据气压传感器208检测到气压回复至大气压、墨水全部喷出后，再次关闭第一电磁阀203。重复以上吸墨-喷墨的过程，即可实现在基底表面的液态金属图形精细打印。

实施例2

采用和实施例1同样的装置。

本实施例中，液态金属为Ga₁₅In₁₃SnZn镓铟锡锌合金，基底材料为0.5mm厚聚丙烯薄膜。其吸管式喷嘴的长吸管为尼龙材料制成的。

其他操作同实施例1。

以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种蘸吸微喷式液态金属打印装置，其特征在于，包括机架、印墨机头、吸管式喷嘴、样品台、墨池、气体正负压装置和控制单元；所述样品台和墨池相邻放置，所述机架位于样品台和墨池上方，机架上设置有印墨机头，机架与控制单元连接；

在所述的印墨机头下端设置有吸管式喷嘴，所述吸管式喷嘴有1～10个，所述吸管式喷嘴包括长吸管，长吸管上端与气体正负压装置连通，所述长吸管由不锈钢、塑料、陶瓷、玻璃、尼龙材质中的一种或多种制成；

所述的蘸吸微喷式液态金属打印装置还设置有加热单元，所述加热单元包括分布于印墨机头外侧、样品台和墨池下方、以及吸管式喷嘴外周的多个电热丝。

2.根据权利要求1所述的蘸吸微喷式液态金属打印装置，其特征在于，所述的机架为机械悬吊器件，安装有印墨机头并带动其在水平平面及垂直方向上移动，其带动印墨机头移动的传动方式包括皮带传动、丝杠传动、连杆传动方式中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的蘸吸微喷式液态金属打印装置，其特征在于，所述长吸管上端通过气路管道与气体正负压装置连通，所述气体正负压装置包括在气路管道上设置的三个常闭电磁阀，其中第一电磁阀连接有正压泵，第二电磁阀连接有负压泵，第三电磁阀与大气相通；在气路管道上还设置有压力传感器。

4.一种蘸吸微喷式液态金属打印方法，采用权利要求1～3任一所述的蘸吸微喷式液态金属打印装置，其特征在于，包括步骤：

将基底材料置于样品台，通过人工操作或上位机软件向控制单元输入打印图形指令，印墨机头即根据图形在墨池与样品台之间来回移动：当机头移至墨池上方时，机头下降使吸管式喷嘴深入墨池，控制电路将吸管式喷嘴内气路切换至负压，从而吸取一定量的液态金属墨水，随后机头升起并移至样品台待打印图形上方，再次降下使 吸管式喷嘴接近基底材料上表面，控制电路将吸管式喷嘴内气路切换至正压，将内部的液态金属墨水喷出至基底材料上表面；直至吸管式喷嘴内的液态金属墨水全部喷出，则再次回到墨池重复吸取液态金属墨水。

5.根据权利要求4所述的蘸吸微喷式液态金属打印方法，其特征在于，所述墨池内放置熔点在200摄氏度以下的金属材料、或熔点在200摄氏度以下的金属材料和纳米或微米颗粒复合的材料。

6.根据权利要求5所述的蘸吸微喷式液态金属打印方法，其特征在于，所述金属材料选自镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋铟锡锌合金中的一种。

7.根据权利要求4所述的蘸吸微喷式液态金属打印方法，其特征在于，所述基底材料为高分子聚合物、纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材、固体金属、合金中的一种，所述高分子聚合物选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶中的一种。

8.根据权利要求4～7任一所述的蘸吸微喷式液态金属打印方法，其特征在于，所述加热单元控制的打印时的温度范围为15-300摄氏度。