CN107321986A - 用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，它解决了现有3D打印技术无法实现高粘度导电材料的高精度和高质量打印难题，实现了高粘度导电材料高精度、连续、任意形状的打印，解决了高粘度导电材料打印精度低、粗糙度和形貌差的问题，其技术方案为：包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，绝缘衬底吸附设置于打印平台上，所述绝缘衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的导电喷嘴和储料筒，所述导电喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述导电喷嘴为武藏式针头，所述储料筒与背压控制单元连接。

Description

用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置

技术领域

本发明涉及增材制造和3D结构电子或者嵌入电子产品技术领域，特别是涉及一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置。

背景技术

嵌入式电子产品(功能性3D结构电子)是近年伴随着增材制造技术的发展而出现的一种新型的电子产品(元器件)，该类电子产品的制造方法是，由3D打印结构层，并将传感器、控制器、驱动器、天线、电池等电子元件同时嵌入到被打印的结构中，并将一些简单的电路、连接电路等直接打印出来，最后通过打印封装，真正实现功能性3D结构电子产品一体化制造，材料-结构-器件一体化制造。与传统的电子产品相比，嵌入式电子产品具有：(1)结构紧凑、轻量化、免组装、可靠性高、制造周期短、生产成本低；(2)多功能性，具有多种功能特性；(3)在某些特殊领域和极端环境例如航空航天、高密闭性产品(嵌入式电子产品整个外壳是一个无缝的整体，具有很好的防尘、防水的功能)等显示出一些特有的优势。

打印电路互联和导电图形是嵌入式电子产品3D最重要的工艺要素之一，目前可供打印的导电油墨主要包括纳米银导电墨水、导电银浆、导电铜浆、碳纳米管导电墨水等，高分辨导电图形打印主要是采用纳米银导电墨水，但是纳米银导电墨水打印完成后需要进行烧结才能导电，一方面工艺复杂，生产成本高，尤其是限制了它在许多领域的应用。导电银浆打印完成后一般不需要烧结后处理工序，就能导电，而且导电率高，使用方便。但是导电银浆的粘度极高，一般其粘度超过5000cp，传统的喷墨打印无法打印导电银浆。采用压力挤出工艺(无论是压缩空气或是直线步进电机产生压力)，都面临打印线宽过宽(毫米级)，无法实现微米尺度高分辨率图形的打印，打印图形的线宽粗糙度差的问题，不能满足嵌入式电子产品3D打印的性能要求。尽管电流体动力喷射3D打印能够实现高粘度材料高精度打印，但是在打印导电银浆这种导电材料时，由于导电喷头和衬底的距离非常小，在打印过程中“喷头正极-液态导电材料-接收衬底负极”极容易形成闭合回路，出现打印材料与接收板之间短路放电现象，导致打印的稳定性较差，无法实现正常的打印。因此，迫切需要开发新的打印技术，解决诸如导电银浆导电材料高精度打印的难题，满足嵌入式电子产品3D打印的实际需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，实现高粘度导电材料微米尺度高精度高质量(打印图形粗糙度低，形貌好，线光滑粗糙度高)打印；

本发明的具体实现方案为：(1)采用气压辅助液体出料。克服了电动注射技术灌料难，打印过程中，储料筒内残余气体影响电动注射打印形貌的难题和由于储料筒内残余气体，无法实现打印停止时终止出液，破坏打印形貌，浪费打印材料。(2)通过导电喷嘴连接高压脉冲电源正极，接收板采用绝缘接收衬底，电场辅助液体形成泰勒锥，保证打印的高精度。克服了电流体动力喷射3D打印，“喷头正极-液态导电材料-接收衬底负极”形成闭合回路，出现打印材料与接收板之间短路放电现象，无法实现正常的打印的问题。

具体的，本发明采用下述技术方案：

一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，绝缘衬底吸附设置于打印平台上，所述绝缘衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的导电喷嘴和储料筒，所述导电喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述储料筒与背压控制单元连接。

进一步的，所述储料筒为微注射器料筒。

进一步的，所述导电喷嘴为武藏式针头，导电喷嘴的内径为10μm-1000μm。

优选的，所述导电喷嘴与绝缘衬底之间的高度距离范围是100μm-3000μm。

所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为10Hz-3000Hz。

进一步的，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与储料筒连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通。

进一步的，所述精密调压阀的工作压力范围是：0.1-8bar；为喷头提供稳定且精确可调的气动压力来驱动流体。

进一步的，所述打印平台内设置电加热装置，所述电加热装置为电加热棒或电加热片，电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现打印材料快速固化。

一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，绝缘衬底吸附设置于打印平台上，所述绝缘衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头为电动注射喷头，所述电动注射喷头与高压脉冲电源正极连接。

一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将二维工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距绝缘衬底设定距离；

步骤2：开始打印工作，打印喷头和绝缘衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至打印喷头底部形成泰勒锥，进而喷射至绝缘衬底表面，二维工作台按设定路径运动，打印出成形零件；

步骤3：打印完成，将二维工作台和Z向工作台移动至原始工位，取下绝缘衬底和成形零件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了高粘度导电材料高精度、连续、任意形状的打印，解决了高粘度导电材料打印精度低、粗糙度和形貌差的问题。

(2)打印机整体只有喷嘴处接正极，结合使用的绝缘衬底，克服了传统电流体动力喷射3D打印过程中短路和放电现象，确保打印过程稳定可靠。

(3)打印喷头采用气压辅助液体流出，电压驱动液体形成泰勒锥，克服了电动注射技术出液不均匀，形貌粗糙的缺陷。

(4)喷头采用武藏式针头，针对于高粘度液体材料，武藏式针头与液体之间摩擦力更小，利于打印材料出液与提高打印精度。

(5)打印精度高。利用高背压，位移台快速移动，电场力辅助形成泰勒锥，可实现微尺度高分辨率打印。

(6)可实现极高粘度材料(导电或非导电)的打印。

(7)本发明具有结构简单、成本低、易于操作的优点。

(8)结合多个喷头，可实现嵌入式电子产品的一体化封装打印。

本发明可用于航空航天、微纳机电系统、嵌入式电子产品、可穿戴设备、印刷电子、可延展电子、软体机器人等诸多领域和行业。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例1用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置的结构原理示意图；

图2是本发明实施例1打印喷头与喷头安装支架的剖面示意图；

图3是本发明实施例2用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置的结构原理示意图。

图中，1X-Y工作台，2打印平台，3绝缘衬底，4高压脉冲电源，5Z向工作台，6喷头安装支架，7打印喷头，701喷嘴，702储料筒，8精密调压阀，801进气管，802出气管，9电动注射喷头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有3D打印技术无法实现高粘度导电材料的高精度和高质量打印难题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，包括：X-Y工作台1(即二维工作台)、打印平台2、绝缘衬底3、高压脉冲电源4、Z向工作台5、喷头安装支架6、打印喷头7、精密调压阀8。其中打印平台2置于X-Y工作台1之上；绝缘衬底3置于打印平台2之上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在打印平台2上。打印喷头7的喷嘴701与高压脉冲电源4的正极相连，打印喷头7通过喷头安装支架6安装在Z向工作台5上。精密调压阀8(背压控制单元)的一端通过进气管801与空压机相连，另一端出气管802与打印喷头7的储料筒702相连接。

导电喷嘴701与绝缘衬底3的高度距离范围是100μm-3000μm。

X-Y工作台1，采用精密直线电动滑台，带动打印平台2在X-Y方向上运动。工作行程：200mm，重复定位精度≤2μm。X-Y工作台是二维位移台，可以采用步进电机、伺服电机、直线电机等驱动方式。

Z向工作台5，采用精密直线电动滑台，通过喷头安装支架6，带动打印喷头7在Z方向上运动。工作行程100mm，重复定位精度≤1μm。Z向工作台5是一维位移台，可以采用步进电机、伺服电机、直线电机等驱动方式。

打印平台2设置有电加热装置，电加热装置为电加热棒或电加热片，加热温度范围为0-150℃，打印平台尺寸为130mm×130mm。电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现打印材料快速固化。

绝缘衬底3具有绝缘和良好的导热性能，绝缘衬底3可以选用玻璃、陶瓷、云母、塑料、橡胶、高分子绝缘材料、PET等绝缘材料。本实施例中绝缘衬底3采用5mm厚玻璃衬底，尺寸为130mm×130mm。

喷嘴701采用武藏式针头，导电喷嘴的内径为10μm-1000μm。本实施例中喷嘴701的内径为0.2mm，安装在储料筒702下面，通过导线与高压脉冲电源4正极相连。储料筒702为微注射器料筒。

高压脉冲电源4输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为10-3000HZ。

精密调压阀调压范围为0.1-8bar；为喷头提供稳定且精确可调的气动压力来驱动流体。

本发明的高粘度导电材料是指包括：导电银浆、导电银胶、金浆料、铂浆料等高粘度导电浆料。材料粘度范围：2000-150000cp。

当然，本领域技术人员完全能够在本发明的启示下，根据本领域技术人员的公知常识，寻找到替换材质，这种替换为简单替换，无需付出任何创造性劳动即能想到。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，如图3所示，采用电动注射喷头9，电动注射喷头9连接高压脉冲电源4的正极，实现导电线路高精度打印。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置的工作方法，具体工艺步骤如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台、Z向工作台从原位移动到打印工位，使固定在Z向工作台上的打印喷头的喷嘴移动到距离绝缘衬底的预设高度；根据所打印的材料、精度、图形尺寸等，设置好高压脉冲电源、精密调压阀所需参数，并开启打印平台加热装置，预热打印平台；

步骤2：开启高压脉冲电源、精密调压阀，在背压的作用下，储料筒中的液体从喷头喷嘴中挤出，在喷嘴上施加脉冲高压，喷嘴与绝缘衬底之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体被拉出并逐渐被拉长，形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在绝缘接收衬底上的零件上，完成所需打印图形；

步骤3：关闭高压脉冲电源、精密调压阀、打印平台加热装置等，X-Y工作台、Z向工作台回到原始工位，从打印平台上取下绝缘衬底和成形零件。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

选用导电银浆为打印材料，导电银浆的粘度：12000cp。

使用本发明3D打印装置具体的打印工艺过程如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台1、Z向工作台5从原位移动到打印工位，使固定在Z向工作台5上打印喷头7的喷嘴移动到距离绝缘衬底3的预设高度；根据所打印的材料、精度、图形尺寸等，设置好高压脉冲电源4、精密调压阀8所需参数，并开启打印平台2加热装置，预热打印平台；

步骤2：开启高压脉冲电源4、精密调压阀8，在背压的作用下，储料筒702中的液体从喷头喷嘴701中挤出，在喷嘴701上施加脉冲高压，喷嘴701与绝缘衬底3之间形成电场，强电场力使喷嘴701处液体被拉出并逐渐拉长，形成泰勒锥，当电荷聚集到一定的程度，液滴自泰勒锥尖端喷射而出，形成锥射流。结合X-Y工作台1按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在绝缘接收衬底3上的零件上，完成所需打印图形；

步骤3：关闭高压脉冲电源4、精密调压阀8、打印平台2加热装置等，X-Y工作台1、Z向工作台5回到原始工位，从打印平台2上取下绝缘衬底3和成形零件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，其特征是，包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，绝缘衬底吸附设置于打印平台上，所述绝缘衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的导电喷嘴和储料筒，所述导电喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述储料筒与背压控制单元连接，所述导电喷嘴为武藏式针头。

2.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述储料筒为微注射器料筒。

3.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述导电喷嘴的内径为10μm-1000μm。

4.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述导电喷嘴与绝缘衬底之间的高度距离范围是100μm-3000μm。

5.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为10Hz-3000Hz。

6.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与储料筒连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通。

7.如权利要求6所述的打印装置，其特征是，所述精密调压阀的工作压力范围是：0.1-8bar。

8.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印平台内设置电加热装置，所述电加热装置为电加热棒或电加热片。

9.一种用于高粘度导电材料打印的电场驱动喷射沉积3D打印装置，其特征是，包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，绝缘衬底吸附设置于打印平台上，所述绝缘衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头为电动注射喷头，所述电动注射喷头与高压脉冲电源正极连接。

10.如权利要求1-9任一项所述的打印装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将二维工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距绝缘衬底设定距离；

步骤2：开始打印工作，打印喷头和绝缘衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至打印喷头底部形成泰勒锥，进而喷射至绝缘衬底表面，二维工作台按设定路径运动，打印出成形零件；

步骤3：打印完成，将二维工作台和Z向工作天移动至原始工位，取下绝缘衬底和成形零件。