CN106891614A - 一种曲面打印激光实时烧结固化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性电子制造、激光加工领域，具体设计一种曲面打印激光实时烧结固化装置和方法，该装置包括打印模块，观测模块和激光输出模块；所述打印模块包括高精度微纳图案打印系统、喷印头和曲面基板，所述观测模块包括观测相机和相机移动装置，所述激光输出模块包括一台激光器和激光调节装置。本发明还公开了一种曲面打印激光实时烧结固化的方法。本发明利用激光实时烧结工艺可以完成打印结构的瞬间烧结、固化，同时可以通过激光能量密度等工艺参数调节固化程度，得到可控的截面形状，从而在曲面上得到理想的微纳结构图案，有助于实现微纳结构的功能性，有助于解决曲面基板打印精确定位的难题。

Description

一种曲面打印激光实时烧结固化装置和方法

技术领域

本发明属于柔性电子制造、激光加工领域，具体设计一种曲面打印激光实时烧结固化装置和方法，其有助于在曲面基板上进行微纳结构打印时墨水的定位，打印结构截面控制，从而在曲面上得到理想的微纳结构图案。

背景技术

柔性曲面电子具有大面积、可变形、轻质和非平面等特点，具有平面硅基微电子/传感器无可比拟的优势，在航空航天、信息通信和健康医疗等领域已显示出巨大发展空间和应用前景，如智能蒙皮、共形天线、电子皮肤等。柔性曲面电子由曲面蒙皮衬底加工、功能器件阵列集成、大规模引线互连封装三大部分组成，其核心是如何实现不同尺寸/材质的结构、器件和系统的曲面共形制造，包括聚合物、金属、纳米材料等机电特性迥异材料的功能集成，对大面积微纳结构曲面共形制造技术提出了全新的挑战。喷墨打印设备由于制造环境友好，节省打印材料，操作简单等优点，近年来被广泛应用。如采用喷墨打印技术制造柔性电子晶体管、生物传感器、太阳能电池、微流芯片等方面。由于基于传统MEMS工艺的微纳制造技术在曲面制造时存在困难，同时成本高昂，所以，利用喷印工艺在曲面上实现精细电极/引线结构、功能层高精度喷印与套印，为曲面柔性曲面电子制造提供可能。

在曲面上实现精细电极/引线结构、功能层高精度喷印与套印时，对打印的定位精度提出了较高的要求，实现高分辨率，高精度的图案化对实现柔性曲面电子的功能性至关重要。由于溶液化材料需要固化才能实现相关材料功能性，如纳米金属溶液需要经过烧结处理才能形成通路，相关以聚合物为溶剂的功能材料需要将聚合物挥发固化才能实现功能性。这些沉积在曲面基板上的溶液状功能材料，由于曲面基板的大曲率影响，在重力和基板多轴运动引起的惯性力的共同作用下，溶液会在下在曲面上发生移动，影响打印定位精度和结构完整性。激光烧结技术是一种低温、选择性、非接触式烧结技术，可以对衬底上的各种纳米材料墨水进行固化烧结，实现墨水功能化，并获得印刷电子器件的物理性能。同样，针对各种以聚合物为溶剂的功能材料，利用激光加热技术可以迅速使溶剂蒸发，完成材料固化。利用激光实时烧结、固化技术可以在溶液下落到基板瞬间实现溶液固化、或半固化。从而避免溶液发生移动，提高了打印在曲面基板上的定位精度。

同时，打印结构的截面形状(包括打印点的截面形状，形成纤维的截面形状)，对实现打印结构的功能性至关重要，如打印得到的纳米银溶液导线的截面高度越高，其面电阻越小；同时导线线宽越小，最终制备得到的透明电极透明性越好，以上参数对透明电极的性能有显著影响。同时打印结构的截面形状对相关工艺的兼容性也有影响。例如可以利用直线纤维的截面制作沟道，其截面形状决定了模板质量。打印溶液在自身粘性力和表面张力等复杂作用下，会由初始的圆截面塌陷成带状截面，截面的宽度显著增加。当打印纳米金属溶液导线时，打印线宽过细时，由于自身粘性力和表面张力作用发生收缩，结构断裂，从而限制了打印工艺的极限线宽。通过实时烧结、固化工艺可以加快烧结、固化速度，减少由于自身表面张力和粘性力对打印结构截面形状的影响。传统的烧结、固化工艺有热板、对流烘箱、光子烧结等，采用热板加热基板一定程度上可以加快溶液固化速度，对截面特性有一定的改善，但是效率较低，依然需要一定时间，难以做到实时烧结，截面形状控制效果有限。同时，热板加热会影响整个打印模块区域温度分布(其为高温热源)，溶液粘性等特性对温度敏感程度较高，溶液粘性变化会显著影响打印的效果。对流烘箱烧结、固化需要在打印结束后进行，无法做到实时烧结。而光子烧结中的闪灯烧结虽然可以做到实时固化效果，但是对环境要求高，需要完全密封条件。其他控制打印结构截面的方法如基板表面疏水处理，对绝大部分有机溶液效果有限。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种可用于曲面打印的激光实时烧结固化装置和方法，使其能够快速将溶液烧结和固化，以避免其在下落和冷却的过程中发生塌陷或变形，影响打印效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面打印的激光实时烧结、固化装置和方法，该装置包括打印模块，观测模块和激光输出模块，其利用激光实时烧结工艺可以完成打印结构的瞬间烧结、固化，同时可以通过激光能量密度等工艺参数调节固化程度，得到可控的截面形状，从而在曲面上得到理想的微纳结构图案，有助于实现微纳结构的功能性。该实时烧结装置能够保证液滴的下落到基板的瞬间完成烧结或者固化(半固化)，有助于解决曲面基板打印精确定位的难题。同时利用激光加热固化，对整个温度场影响较小，对整个溶液性质影响有限，不会对打印工艺产生影响。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种曲面打印的激光实时烧结、固化装置，其特征在于，包括：打印模块，观测模块和激光输出模块；

其中，所述打印模块包括高精度微纳图案打印系统、喷印头和曲面基板；所述观测模块包括观测相机和相机移动装置，所述激光输出模块包括一台激光器和激光调节装置，所述观测模块和激光输出模块分别安装在喷印头的两侧。

进一步优选地，所述喷印头安装在上下调节机构上，所述曲面基板安装在多轴运动平台上。

优选地，所述激光器包括激光输出头、微调机构和聚焦物镜，所述激光输出头输出激光光束，所述聚焦物镜安装在激光输出头的前方，通过激光输出头和聚焦物镜之间的微调机构用来调节激光光束的焦点位置；所述激光调节装置包括距离转接板和方向转接板上，所述激光输出头、聚焦物镜安装在距离转接板上，所述距离转接板安装在所述方向转接板上，所述方向转接板和距离转接板配合用于调整激光器的前后位置和角度位置，使激光光束与锥射流具有一个重合点，实现点对点的实时烧结固化。

优选地，所述相机移动装置包括距离调节装置和角度调节装置，所述观测相机安装在距离调节装置上，该距离调节装置安装在角度调节装置上，实现观测相机的距离和角度位置的调节。

优选地，所述激光调节装置为设置在激光器正前方的光路模块，所述光路模块包括依次设置的整形透镜、柱透镜和光栏，所述激光器射出的线激光依次经过光栏、柱透镜和整形透镜的调整后，对准锥射流，实现线激光的实时烧结固化。

优选地，所述观测相机安装在相机移动装置上，所述相机移动装置包括上下调节装置和前后调节装置，用于观测相机的上下和前后位置的调节。

优选地，所述曲面基板的一侧设置有接收挡板。

按照本发明的另一方面，提供了一种曲面打印的激光实时烧结固化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1针对待打印的图案选择合适的曲面打印的激光实时烧结、固化装置，并选择合适的打印溶液和曲面基板的材料，设计曲面打印路径并确定打印模块的打印参数；

S2根据步骤S1中确定的打印参数，调节上述打印参数，直至满足打印工艺的要求；

S3利用观测相机观测曲面基板上的打印点位置或从喷嘴射出的锥射流位置，同时打开激光器，观测激光光束或线激光的位置；

S4针对观测到的打印点位置或锥射流位置，结合液滴直径、喷印头到曲面基板的距离，调整激光光束或线激光的位置，使其与液滴飞行路径或锥射流对准；

S5调整激光光束或线激光的光斑尺寸大小，使激光光束的光斑尺寸与下落到基板的液滴大小相匹配，或使线激光的线光斑尺寸与喷嘴到基板的距离相匹配；

S6根据所需得到的液滴截面形状，调节激光器的功率大小，实现液滴的点对点实时烧结固化或线激光实时烧结固化，使激光光束或线激光对液滴进行完全固化或半固化，从而得到需要的截面形状；

S7按照预设的打印路径开始打印，得到所需的打印图案。

进一步优选地，在步骤S1中，所述打印参数包括：基板运动轨迹，喷印头与曲面基板之间的电压大小、电压波形、电压频率、电压偏置，喷印头与曲面基板之间的距离，溶液流量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)利用激光实时烧结，相较于传统的激光直写图案化技术，其需要在整个基板上涂满功能材料，本发明大大节省了材料使用，实现按需打印。

(2)相较于其他烧结工艺，打印完成后烧结、固化，难以避免在曲面打印或者基板快速运动由于重力和惯性力的作用导致液滴移动的问题，导致大曲率基板在打印时无法定位或者定位精度较低，实时烧结系统可以保证液滴的下落到基板的瞬间完成烧结或者固化(半固化)，有助于解决曲面基板打印精确定位的难题。

(3)未能实时烧结、固化的打印工艺，液滴难以避免由于表面张力和粘附力，发生塌陷、截面收缩、难以控制打印截面形状，或结构发生断裂，难以得到完整的结构，利用实时烧结工艺，可以液滴(射流)降落到基板瞬间完成烧结、固化(半固化)，从而得到理想的截面形状，并进一步降低特征尺寸。

(4)对比其他调节打印结构截面形貌的方法，如基板加热，针对不同溶液，所需要的热量不同，效果各异，且效率较低，采用加热基板固化液滴的效果有限，同时，难以避免对打印区域温度场的影响，打印时溶液温度的微小的变化会显著影响溶液的性质(粘性等)，从而影响整个打印效果。而利用基板疏水处理控制截面的方法，适用的材料范围有限，对有机聚合物材料无效果。采用激光实时加热固化方法，激光加热功率和加热面积可调，有极高的瞬时功率密度，从而可以适应不同溶液不同加热固化需求。通过调整激光加热面积和功率，固化水平从完全固化到半固化，可以调节截面形貌，从圆形到半塌陷到完全塌陷。利用激光加热固化，对整个温度场影响较小，对整个溶液性质影响有限，不会对打印工艺产生影响。

附图说明

图1是本发明的曲面打印激光实时烧结固化方法流程图；

图2是本发明实施例的激光点对点实时烧结、固化装置示意图；

图3是本发明实施例的激光点对点实时烧结、固化过程示意图；

图4是本发明实施例的线激光空中实时烧结、固化方法示意图；

图5是本发明实施例的线激光空中实时烧结、固化过程示意图；

图6是本发明实施例的曲面打印激光实时烧结辅助墨滴定位过程示意图；

图7是本发明实施例的激光实时烧结控制打印结构截面形状过程示意图；

图8是本发明实施例的激光实时烧结控制打印结构线宽示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-安装轴，2-距离调节装置，3-观测相机，4-角度调节装置，5-上下调节机构，6-喷印头，7-聚焦物镜，8-方向转接板，9-激光输出头，10-距离转接板，11-微调机构，12-锥射流，13-激光光束，14-重合点，15-曲面基板，16-多轴运动平台，21-前后调节装置，22-上下调节装置，24-线激光，25-整形透镜，26-光路模块，27-柱透镜，28-调整光栏，29-激光器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

根据本发明所揭示的曲面打印的激光实时烧结固化装置和方法，有助于保证在曲面基板进行微纳结构打印时墨水的定位，打印结构截面形状的控制。从而在曲面上得到理想的微纳结构图案。利用喷印工艺在曲面上实现精细电极/引线结构、功能层高精度喷印与套印，为曲面柔性曲面电子制造提供可能。

如参照图1所示，图示为本发明的曲面打印激光实时烧结固化方法流程图，该系统基本流程如下：

(1)根据所需打印的图案，完成曲面打印路径的规划，确定打印参数，如结合用于柔性电子制造的高分辨率电流体喷印装置，需要确定的参数为基板运动控制，喷头与基板间的电压大小、电压波形、电压频率、电压偏置、喷头与基板间的距离、溶液流量等等，以上工艺参数共同决定打印效果。

(2)调节上述打印参数。

(3)用观测相机观测锥射流形貌，溶液在基板上的位置和形貌。

(4)判断是否满足打印要求，如不满足要求，继续调节打印参数，若满足。打印工艺参数确定。

(5)打开激光器，激光器的波长根据不同材料烧结/固化要求确定，激光器的工作方式如连续激光器，脉冲激光器(纳秒脉冲，皮秒脉冲，飞秒脉冲)根据所需要的烧结的特征尺寸来确定，通常脉冲激光器烧结得到的线宽小于连续激光器，脉冲时间越短，热效应越小，特征尺寸越小。如利用电流体喷印装置打印纳米银溶液导线时，纳米银溶液的吸收峰为420nm左右，可以选用532nm纳秒脉冲光纤激光器进行烧结固化。光纤激光器输出头经过聚焦物镜输出的极限光斑尺寸在20微米左右，与打印的液滴尺寸大小接近。通过微调激光器光路和观测相机，在视野中找到激光聚焦点位置。若激光为不可见激光，则在基板上放置相纸，则可通过观测相机观测聚焦后的光斑。初始时激光的功率密度应足够低，以免对观测造成影响。

(6)调节光路模块对准打印的液滴或液滴飞行路径，针对点对点烧结、固化方式，若使用较为方便的光纤激光器，光纤激光器激光头与聚焦物镜固定在同一微调机构上，可以通过调节聚焦物镜与激光头位置来调节焦点位置；可以通过上下移动固定激光头和聚焦物镜的转接模块来改变改变光斑大小；可以通过前后移动固定激光头和聚焦物镜的转接模块来改变激光光斑的前后位置；可以通过转动转接模块，来改变激光入射的角度。通过以上调节方式可以使光斑对准下落到基板的液滴。通常为先调节前后位置，再调节角度，使光斑与液滴位置近似重合，再调节焦距和转接模块前后位置，调节光斑尺寸，最后再微调角度和光斑大小，使两者重合。根据打印基板的耐热水平确定激光光斑与墨滴直径的相对大小，若基板衬底材料为敏感材料，如较薄的PET衬底，考虑到纳秒脉冲激光的热传导效应，此时激光光斑尺寸应该小于液滴尺寸，位于打印液滴中心，此时可控制墨滴尺寸为40微米，光斑尺寸可设为10微米左右，可通过调整光斑功率保证调整墨滴固化程度。若基板耐热性较好或者衬底材料较厚，如较厚的耐高温PI衬底，能够承受激光热冲击，激光光斑尺寸可大于墨滴尺寸，如墨滴尺寸为20微米以下，而光斑尺寸可为50微米以上，此时对准更为方便，可实施程度更好。针对空中固化装置，得到的线激光长度与射流可加热部分匹配，线光斑宽度远大于射流宽度，如典型的射流线宽为10微米量级，线光斑宽度可设为100微米，通过前后、左右调节喷头位置可实现对准。无论采用何种对准方式，墨滴与光斑的大小均为一方要远大于另一方，通过这种方法可以保证在打印出现精度允许的微小偏移时，不会出现光斑与墨滴分离，确保固化后得到完整的微纳结构图案。

(7)利用观测设备观测光斑是否对准锥射流或液滴飞行路径，若未对准，重新调节光路，直到对准。

(8)调节激光器的功率大小，光斑尺寸大小，这两点决定了激光的加热面积和加热强度。从而决定烧结、固化最终效果。如使用Nd：YAG532nm脉冲激光器(3-5ns脉宽，15Hz频率)，可以采用的聚焦物镜为5倍(NA＝0.14)，20倍(NA＝0.42)，100倍(NA＝0.7)来使光斑大小下探到各自的衍射极限，高斯光斑所能达到的衍射极限光斑分别为D＝6.88微米(5倍)，D＝2.29微米(20倍)，D＝1.38微米(100倍)。单脉冲能量为0.4-40微焦，对应的能量密度为10-10^3J/cm^2(20倍物镜)。当烧结纳米银溶液时，采用以上激光模块，对应基板的运动速度为0.1mm/s到100mm/s，得到的典型线宽可以为5-20微米。

(9)观测实时烧结、固化效果，若实时观测模块未能观测，可以采用离线观测方式，利用激光共聚焦显微镜观测打印、固化效果，包括完整性，截面形状等，若不满足要求，继续调节激光功率参数和光斑大小，当激光功率足够大时可以完成瞬时烧结、固化，通过调节激光功率密度和光斑大小可以使打印截面从完全固化到半固化之间转变，得到所需的截面形状。

(10)若观测得到的打印效果不符合要求，继续调整激光参数，直到满足要求。

(11)确定所有工艺参数，按规划路径完成打印。

如参照图2所示，图示为本发明实例的激光点对点实时烧结、固化方法装置示意图，装置由如下几部分组成：1，打印模块，打印模块包括喷印头6和上下调节机构5用于调节喷嘴与基板距离。如电流体喷印系统，喷印头6的与曲面基板15之间的位置可以通过上下调节机构5上下调节，用于调整工艺参数；(2)激光模块，激光器为激光输出头9和聚焦物镜7组成。较为方便的方式采用光纤激光器，光纤激光器的激光输出头9与聚焦物镜7，共同固定于同一个微调机构11上，微调机构11可以实现聚焦物镜7与激光输出头9之间距离的调节。整个微调机构固定在可上下调节的距离转接板10，距离转接板10固定在角度可调的方向转接板8上，方向转接板8可前后调节(图中未标出)，调节方式如箭头所示，以上调节用于调整光斑大小，光斑位置以及光斑照射角度用于对准。(3)观测模块，观测模块为观测相机3和观测相机距离调节装置2和角度调节装置4，前后调节装置(未标出)组成，调节方式如箭头所示，用于实时观测打印情况和激光光斑，辅助对准。以上三个模块可以单独固定或者共同固定在同一安装轴1上。(4)曲面基板15，曲面基板15为打印区域，若为电流体喷印系统，需要在喷印头6与曲面基板15之间施加高电压。曲面基板15固定在多轴运动平台16上，打印时，喷印头与激光位置固定，通过多轴运动平台16带动曲面基板15实现曲面加工。如图所示锥射流12与激光光束13重合在同一重合点14，实现实时烧结、固化。

如参照图3所示，图示为本发明实例的激光点对点实时烧结、固化方法过程示意图。点对点实时烧结过程如图所示，激光束13照射到曲面基板15形成光斑17，光斑17中心与刚刚下落到基板上的未固化墨滴19中心重合。参照Ⅰ，若基板衬底材料为敏感材料，如较薄的PET衬底，考虑到激光热冲击效应，此时激光光斑尺寸应该小于液滴尺寸，位于打印液滴中心，避免光斑对敏感衬底造成损伤，激光光斑17应小于未固化区域19面积，激光光斑17的大小应根据激光能量密度和烧结、固化效果调节。参考Ⅱ，若基板耐热性较好或者衬底材料较厚，如较厚的耐高温PI衬底，能够承受激光的热冲击效应，激光光斑尺寸可大于墨滴尺寸，此时对准更为方便，可实施程度更好。激光光斑17应大于未固化区域19面积，激光光斑17的大小应根据激光能量密度和烧结、固化效果调节。已固化的区域18形成截面可控的完整的图案化微纳结构。

如参照图4所示，图示为本发明实例的线激光空中实时烧结、固化装置示意图。与点对点加热固化方式不同，利用线激光可以在锥射流12(墨滴)下落到基板前进行加热固化。装置由以下几部分组成：(1)激光器29，激光器29的选择根据相关工艺参数决定，激光器29的波长根据所需加热材料的吸收峰决定，工作模式根据需要加热固化的程度决定。如若为同轴结构纺丝或者并列喷嘴，如仅仅只需要某一功能层固化，如仅需要同轴纤维的内层结构先固化，使同轴结构不发生塌陷，形成截面良好的同轴结构，激光器波长的选择应该偏离外层材料的吸收峰而和内层材料的吸收峰接近，即激光可以穿透外层材料而被内层材料所吸收。如PMMA材料，在很大波长范围内其透光率极高，针对同轴纺丝时，可以实现内层或者外层的选择性固化效果。(2)光路模块26，光路模块包括光栏28，光栏28的作用为整形，形成线光斑，通过调整光栏28可以调节光斑形状，如线激光长度。反射镜(若光路无转向则不用)。柱透镜27，作用为进一步整形。整形透镜25，起聚焦作用，整形后得所需要的线激光24，调节整形透镜25的位置可以调整聚焦焦点位置从而调节光斑位置和宽度。(3)喷印模块，由喷印头6和距离调节机构5组成，如电流体喷印系统，可以进行点喷，纺丝，电喷雾，可以进行同轴纺丝，并列多喷嘴套印等。喷印模块的空间位置可以移动以实现对准。(4)观测模块，观测相机3可以通过前后调节装置21和上下调节装置22调节位置，观测相机用来观测锥射流12位置和射流飞行路线，同时观测线激光24的光斑，用于两者对准。先调节相机位置观测光斑，再通过移动喷印模块位置，使射流进入光斑形成阴影，即可完成对准。(4)激光接收挡板，由于线激光宽度大于锥射流宽度，多余宽度的激光需要被接收挡板30吸收。

如参照图5所示，图示为本发明实例的激光线空中实时烧结、固化过程示意图。如图所示，利用观测相机观察到锥射流(或墨滴飞行路径)13的位置。利用观测相机观测线激光光斑31的位置，用过移动喷嘴位置，使锥射流与线激光重合。通常来说，锥射流的宽度远小于100微米，线激光的宽度大于100微米(如需进一步减少线激光宽度则需要对光路进行扩束)，线激光的宽度一般远大于锥射流的直径，对准操作较为简单。完成对准后，可调整光路中的光栏来调整线激光31的长度，从而调整射流12下落过程中的加热范围，通过调节整形透镜的位置，调节焦点位置，得到合适的光斑大小。调节激光输出功率达到合适的加热功率。通过调整激光加热范围，加热功率，射流在空中运动的同时以可控的方式被高能激光加热固化，在曲面基板15上得到理想的微纳结构截面和准确的定位效果。

如参照图6所示，图示为本发明实例的激光实时烧结辅助墨滴定位示意图。如图所示，初始打印路径34为虚线示意路径，未实时烧结墨滴36在曲面基板15上，由于重力与惯性力的影响，发生位置偏离，最终的得到得墨滴位置35偏离预定位置，导致打印难以定位或定位精度较差，未实时烧结打印得到的轨迹37偏离预定轨迹，难以得到高精度的图案化微纳结构。与之对比的是经过激光13实时烧结、固化得到的墨滴33在降落到基板瞬间得以固化，避免了墨滴流动，保证了在曲面基板37上的定位精度性。

如参照图7所示，图示为本发明实例的激光实时烧结控制打印结构截面示意图。针对普通纤维结构，纤维结构刚刚下落到基板且未固化时。初始截面38近似为圆形。若固化速度较慢，纤维会出现塌陷，形成带状结构42，如直径为3微米的纤维，若塌陷成高度为0.5微米的带状结构，将形成宽度为14微米的带状结构，导致线宽大幅增加。利用高功率激光39实时加热固化，打印结构瞬间固化，瞬间固化后的纤维截面43基本保持不变。若降低激光强度，激光强度不足以使结构瞬间固化，打印结构半固化，将形成类似半椭圆状截面44，进一步降低激光强度固化程度进一步降低，最终得到的截面高度45进一步降低。针对同轴纤维结构，纤维分内外两层结构，初始下落到基板上的纤维为近似同心圆结构46，若未实时固化，内外层纤维可能出现塌陷，难以得到同心嵌套结构，形成两层带状结构。若选用合适强度和波长的激光照射同轴结构47，若内外两层材料对激光波长同时敏感。内外两层结构同时固化，实时固化后得到完好的同轴结构51。若外层材料对某些波长的激光敏感，吸收率较高，可以选用该波段的激光通过合适的强度照射48，使外层结构瞬间固化，内层结构自然固化发生塌陷，可以形成管中线结构52，中间留白部分为空气。同理选择合适的激光波长和强度可以使内层材料瞬间固化，而外层材料自然固化发生塌陷，形成类似山洞隧道结构53。最终得到的不同结构可以实现相关功能性，

如参照图8所示，为本发明实例的激光实时烧结控制打印结构线宽示意图。如利用电流体喷印系统打印纳米银溶液得到导电交联结构时，线宽决定了电极导线结构的透明度。未固化时，为初始线宽54，由于截面塌陷，截面高度降低，宽度显著增加，参考图7，线宽随截面塌陷开始增加55，最终得到的截面宽度56远大于初始宽度。如利用电流体喷印系统打印纳米银溶液，初始打印线宽为20微米，塌陷得到的最终线宽超过50微米。若采用激光实时固化烧结，截面塌陷现象被控制，最终得到的线宽57近似等于打印得到的线宽。减少线宽的有效方法是进一步减少初始打印得到的线宽58，当未固化的线宽过细时，由于溶液表面张力和粘性力共同作用，溶液截面会发生收缩59，最终形成断路60，导线结构失效，利用激光实时烧结、固化方法可以瞬间固化结构，避免收缩，得到单纯打印无法得到的超细线宽结构61。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种曲面打印的激光实时烧结、固化装置，其特征在于，该装置包括：打印模块，观测模块和激光输出模块；

其中，所述打印模块包括高精度微纳图案打印系统、喷印头(6)和曲面基板(15)，所述观测模块包括观测相机(3)和相机移动装置，所述激光输出模块包括一台激光器和激光调节装置，所述观测模块和激光输出模块分别安装在喷印头(6)的两侧。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷印头(6)安装在上下调节机构(5)上，所述曲面基板(15)安装在多轴运动平台(16)上。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光器包括激光输出头(9)、微调机构(11)和聚焦物镜(7)，所述激光输出头(9)输出激光光束(13)，所述聚焦物镜(7)安装在激光输出头(9)的前方，通过激光输出头(9)和聚焦物镜(7)之间的微调机构(11)用来调节激光光束(13)的焦点位置；所述激光调节装置包括距离转接板(10)和方向转接板(8)上，所述激光输出头(9)、聚焦物镜(7)安装在距离转接板(10)上，所述距离转接板(10)安装在所述方向转接板(8)上，所述方向转接板(8)和距离转接板(10)配合用于调整激光器的前后位置和角度位置，使激光光束(13)与准锥射流(12)具有一个重合点(14)，实现点对点的实时烧结固化。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述相机移动装置包括距离调节装置(2)和角度调节装置(4)，所述观测相机(3)安装在距离调节装置(2)上，该距离调节装置(2)安装在角度调节装置(4)上，实现观测相机(3)的距离和角度位置的调节。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光调节装置为设置在激光器(29)正前方的光路模块(26)，所述光路模块(26)包括依次设置的整形透镜(25)、柱透镜(27)和光栏(28)，所述激光器(29)射出的线激光(24)依次经过光栏(28)、柱透镜(27)和整形透镜(25)的调整后，对准锥射流(12)，实现线激光的实时烧结固化。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述观测相机(3)安装在相机移动装置上，所述相机移动装置包括上下调节装置(22)和前后调节装置(21)，用于观测相机(3)的上下和前后位置的调节。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述曲面基板(15)的一侧设置有接收挡板(30)。

8.一种曲面打印的激光实时烧结固化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1针对待打印的图案选择合适的曲面打印的激光实时烧结、固化装置，并选择合适的打印溶液和曲面基板的材料，设计曲面打印路径并确定打印模块的打印参数；

S2根据步骤S1中确定的打印参数，调节上述打印参数，直至满足打印工艺的要求；

S3利用观测相机观测曲面基板上的打印点位置或从喷嘴射出的锥射流位置，同时打开激光器，观测激光光束或线激光的位置；

S4针对观测到的打印点位置或锥射流位置，结合液滴直径、喷印头到曲面基板的距离，调整激光光束或线激光的位置，使其与液滴飞行路径或锥射流对准；

S5调整激光光束或线激光的光斑尺寸大小，使激光光束的光斑尺寸与下落到基板的液滴大小相匹配，或使线激光的线光斑尺寸与喷嘴到基板的距离相匹配；

S6根据所需得到的液滴截面形状，调节激光器的功率大小，实现液滴的点对点实时烧结固化或线激光实时烧结固化，使激光光束或线激光对液滴进行完全固化或半固化，从而得到需要的截面形状；

S7按照预设的打印路径开始打印，得到所需的打印图案。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述打印参数包括：基板运动轨迹，喷印头与曲面基板之间的电压大小、电压波形、电压频率、电压偏置、喷印头与曲面基板之间的距离、溶液流量。