CN107471632A - 一种金属与非金属复合增材的制造设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属与非金属复合增材的制造设备，包括液态金属喷墨装置，光发射器，多轴移动装置，打印平台，升降装置，光固化材料槽，机架和控制系统，所述打印平台在升降方向上的正投影位于光固化材料槽内，所述液态金属喷墨装置和光发射器位于打印平台的上方。本发明还提出一种金属与非金属复合增材的制造方法。本发明提供的方法，可以有效解决传统3D打印无法打印金属与非金属复合结构的问题，可用于多层、异形或复杂结构电子电路的快速定制化加工。其打印的复合结构稳定、精度高；易于制造精密电子电路中复杂的过孔和盲孔结构；采用光固化材料与采用塑料FDM相比，打印速度更快。

Description

一种金属与非金属复合增材的制造设备及制造方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种金属与非金属复合增材的制造装置及其应用。

背景技术

3D打印本质上是快速增材制造技术，现有3D打印材料主要有金属和非金属两大类(非金属主要为塑料类)，这两类材料的3D打印各有应用，各有不可替代性。现有金属3D打印主要使用铝合金、镁铝合金、钛合金等材料，这些材料熔点普遍较高，如果与塑料材料一起打印，会使塑料材料直接熔化，因此难以与塑料材料进行复合打印。液态金属是一类低熔点金属单质或金属合金及其衍生物的总称，其具有金属材料所具备的高导电性，高导热性等特性，且可以进行挤出式或喷墨打印，在打印时不会破坏塑料等材料的结构。

光固化材料一般是光敏树脂，包括预聚物、光引发剂、活性稀释剂和其他助剂。其可在对应吸收波长光照下发生聚合反应，生成固体，聚合生成的固体亦可归为塑料范畴，与熔融沉积成型(FDM)方法相比，使用光固化方法3D打印形成塑料结构，成型速度更快，精度更高。且液态的光固化材料可作为液态金属打印的冷却助剂，有利于提高金属结构固化成型速度。

此外，传统金属非金属3D打印均面向结构件制造，主要应用于机械加工领域。而在电子电路制造领域，现有的加工方式仍采用整张覆铜板机械雕刻或电化学腐蚀，不仅将电路形态局限为二维平面，而且在制作多层结构时还需要专门的配准、贴合、钻孔工艺，再通过电镀实现过孔的跨层连接，而其中盲孔结构的制作要比通孔结构的实现更为困难。因此传统减材式加工方式面临着复杂、浪费、污染、形态局限等诸多问题。而一些印刷电子加工方式(如导电银浆)尽管在一定程度上实现了导电线路的增材制造，但同样只适用于平面电路图形加工，且存在着加工速度慢、层数少、过孔难等问题。因此，寻求到将金属与非金属复合应用于增材制造的方法，将会为电子加工带来全新的改变。

基于上述考虑，本发明提出一种复合增材制造设备及相应打印方法，通过液态金属打印头与光固化成型方法相结合，实现金属材料与非金属的复合打印，用于多个领域。尤其在电子制造方面，该复合打印方法可有效实现多层、异形、复杂结构电路的逐层生长，易于制造复杂的过孔和盲孔结构，利用该复合结构可直接打印实现RFID、不规则天线、特定频率电磁屏蔽层等功能器件；与液态金属与非金属 FDM复合成型相比，本方法成型速度更快，精度更高。

发明内容

针对传统3D打印无法实现金属与非金属复合打印的缺点，本发明提出了一种金属与非金属复合增材制造设备，以及对应的打印方法，其能够克服金属材料与非金属材料(主要指塑料)熔点差异大，无法复合打印的问题，且能够比FDM方法取得更快的成型速度和更高的精度，实现金属与非金属复合结构快速、稳定打印，从而为复杂结构电子电路的定制化增材制造提供可靠方法。

本发明的另一个目的是提供一种金属与非金属复合增材制造方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种金属与非金属复合增材的制造设备，包括

液态金属喷墨装置，用于微量喷射液态金属；

光发射器，用于使光固化材料快速聚合固化；

多轴移动装置，用于水平移动所述液态金属喷墨装置、光发射器，所述液态金属喷墨装置、光发射器连接在多轴移动装置上；

打印平台，用于承载打印的金属及非金属复合结构，

升降装置，用于移动所述打印平台，所述打印平台连接在升降装置上；

光固化材料槽，用于盛放液态的光固化材料；

机架，用于固定所述多轴移动装置、升降装置及光固化材料槽并使整机保持稳定；

控制系统，用于控制所述液态金属喷墨装置，光发射器，多轴移动装置，升降装置的工作情况；

所述打印平台在升降方向上的正投影位于光固化材料槽内，所述液态金属喷墨装置和光发射器位于打印平台的上方。所述液态金属喷墨装置、光发射器、多轴移动装置、升降装置均连接所述控制系统。

其中，所述液态金属喷墨装置包括喷墨阀，所述喷墨阀为液态金属喷墨阀或是加装了加热元件的压电式喷墨阀、热泡式喷墨阀、撞针式喷墨阀中的一种；所述喷墨阀具有墨水回收功能，可在喷墨后将多余金属吸回，避免堵塞喷墨口。

其中，所述光发射器为聚焦紫外激光发射器或由多个发光单元构成发光单元阵列，所述聚焦紫外激光发射器用单个发光单元结合透镜形成；所述光发射器的发射波段与光固化材料的吸收波长匹配。

可选地，所述发光单元为激光二极管。

其中，在所述机架上设置有液位检测装置和自动填料装置，所述液位检测装置用于检测液态金属喷墨装置、光固化材料槽中材料液位状态，并将信号传输给所述控制系统；

所述自动填料装置连接于所述控制系统，在液位不足时自动补充液态金属喷墨装置、光固化材料槽中的材料。

本发明所述的打印平台具有足够表面平整度，其移动范围可从光固化材料槽上方，直到光固化材料槽底部；所述升降装置具有足够移动精度；可使所述打印平台在移动范围内移动到任意高度。符合要求的部件可市购，例如日本THK的导轨，中国台湾TBI的丝杠等。

优选地，所述液态金属的成分是熔点在300℃以下的低熔点单质金属或合金，或者是在单质金属或合金中添加有基于单质金属或合金质量的0.1～10％的导电颗粒的混合物，所述导电颗粒的粒度为 1nm～100μm。

液态金属一般指熔点在300℃以下的低熔点单质金属或合金；单质金属或合金已经具有很好的导电性，为不影响整体导电性，添加的纳米颗粒也需为导电颗粒，其作用不是增强导电性，而是赋予液态金属其他性质，当对打印结构有特殊需求，如要求打印后结构具有磁性，此时可在单质金属或合金中添加磁性导电纳米颗粒，纳米颗粒的具体成分包括但不限于纳米铁粉、纳米四氧化三铁等，添加比例不超过 10％质量分数。

其中，所述光固化材料的成分为光敏树脂，或者是其他在受到紫外光、可见光以及电子束辐照后可快速转变为固态的材料；

所述的光敏树脂包括预聚物、光引发剂、和其他助剂。

所述的预聚物包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、不饱和聚酯、乙烯基醚类低聚物中的一种或几种，

所述的光引发剂为吸收波长在250-700纳米的物质；优选地，所述的光引发剂包含吸收波长在250-480纳米范围的自由基引发剂、阳离子引发剂中的一种；

所述的其他助剂包括活性稀释剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂中的一种或几种。

本发明的优选技术方案比之一为，所述光敏树脂包括质量份的预聚物50-80份，光引发剂2-10份，活性稀释剂10-30份，消泡剂3-5 份，润湿剂3-5份，分散剂3-5份，增稠剂3-5份。均可市购。

一种金属与非金属复合增材的制造方法，采用所述的制作设备进行，包括步骤：

S1、将打印文件传输到控制系统，控制系统完成金属层和非金属层的切片设计，两种材料切片层数一致，单层层厚一般为 0.01mm-1mm；

S2、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，打印平台表面不被光固化材料浸没；

S3、控制系统控制多轴移动装置，使液态金属喷墨装置按照金属层的切片设计运动，控制系统控制液态金属喷墨装置在打印平台上喷射金属微滴，使其形成一层金属层结构；

S4、控制系统控制升降装置，使打印平台向下移动一层的距离(与单层层厚一致)，使打印平台上覆盖一层与金属层厚度一致的液态光固化材料；

S5、控制系统控制多轴移动装置，使光发射器按照切片设计运动，控制系统控制光发射器扫描光固化材料，使其在打印平台上形成一层非金属层结构；

S6、新固化层表面已经没有液态光固化材料，等厚度固化的金属与非金属共同形成一个新的平面，因此可以再次使金属材料附着，以新形成的固化层表面为基础，返回步骤S3，直至所有层的金属及非金属结构打印完成；

S7、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，取下打印好的复合结构，即得。

其中，步骤S5中，步骤S5中，所述光发射器在切片全部面积范围内同等强度照射(形成平面)；或，在各个切片层上，采用聚焦紫外激光发射器进行由点到线，由线到面的扫描固化，使各个固化层形状按照预设逐渐变化，多个逐渐变化的固化层形成预设角度与方向的斜面或其他异形表面。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的金属与非金属复合增材制造方法，可以有效解决传统3D打印无法打印金属与非金属复合结构的问题，可用于多层、异形或复杂结构电子电路的快速定制化加工。其打印的复合结构稳定、精度高；易于制造精密电子电路中复杂的过孔和盲孔结构；采用光固化材料与采用塑料FDM相比，打印速度更快。对应提供的一种金属与非金属复合增材制造设备结构清晰，运行稳定，可以有效实现提出的打印方法。

附图说明

图1为金属与非金属复合增材的制造设备结构示意图，图中示出的打印增材为表面平齐的产品。

图2为金属与非金属复合增材的制造设备结构示意图，图中示出的打印增材为表面异形的产品。

其中，1、液态金属喷墨装置；2、光发射器；3、多轴移动装置； 4、升降装置；5、打印平台；6、光固化材料槽；7、机架；8、控制系统；9、液态金属；10、光固化材料；11、已固化非金属层；12、已固化金属层；13、紫外光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示、本发明所提供的金属与非金属复合增材制造设备包括液态金属喷墨装置1、光发射器2、多轴移动装置3、升降装置4、打印平台5、光固化材料槽6、机架7和控制系统8。

液态金属喷墨装置1用于喷射液态金属微滴，固定于多轴移动装置3上，可随多轴移动装置3水平运动到打印平台5范围内任意位置；液态金属喷墨装置1采用专门设计的液态金属喷墨阀(按专利 CN106623940A制备)；

光发射器2固定于多轴移动装置3上，可随多轴移动装置3运动到打印平台5上方任意位置；光发射器2具有多个发光单元，发光单元选用Thorlabs激光二极管L405P20，使用64个发光单元构成8*8 的发光单元阵列；

多轴移动装置3用于使液态金属喷墨装置1及光发射器2移动到打印平台5上方任意位置；多轴移动装置3连接在机架7上，可以是二维移动平台、导轨、丝杠等类型，也可以采用多轴机械臂；多轴移动装置3需具有足够的定位精度和反复移动精度，液态金属喷墨装置1与光发射器2在多轴移动装置3上的固定具有足够稳定度，以保证最终加工的结构具有足够精度；

升降装置4用于使打印平台5在竖直方向移动；升降装置4移动范围不小于光固化材料槽6深度，其数量不限于一个，可使打印平台 5平稳地上下运动的结构都是可以选用的；升降装置4连接在机架7 上，其上下运动精度应优于最小切片厚度(厚度的范围是0.01mm-1mm)，以保证即使控制系统8使用最小切片厚度，升降装置4也可以稳定工作；

打印平台5用于承托复合增材制造形成的结构或器件；打印平台 5连接在升降装置4上，并可随升降装置4在竖直方向平稳移动；打印平台5移动范围可从光固化材料槽6上方，直到光固化材料槽6底部；打印平台5表面需足够平整，以保证最终打印效果，必要时可搭载水平仪等器件；

光固化材料槽6用于盛放处于液态的光固化材料；光固化材料槽6固定在机架7上；液态的光固化材料不仅是形成非金属层的原料，同时在打印金属层时作为冷却材料，使液态金属加速冷却固化，有助于提高打印速度；

机架7用于固定光固化材料槽6，连接多轴移动装置3及升降装置4，为整台设备工作提供稳定支撑；机架7须具有足够稳定度；可在机架7上添加其他辅助部件以提升设备易用性，例如液位检测装置及自动填料装置；

所述液位检测装置用于检测液态金属喷墨装置1及光固化材料槽6中液位高度，并可将检测结果反馈给控制系统8；所述自动填料装置用于向液态金属喷墨装置1及光固化材料槽6中添加相应材料；所述自动填料装置工作受控制系统8控制；在不搭载液位检测装置及自动填料装置时，使用者难以知道液态金属喷墨装置1及光固化材料槽6中材料的准确剩余量，且需要添加材料时需要拆卸部件来添加材料，给使用带来了不便；搭载液位检测装置及自动填料装置的情况下，使用者可准确知道液位情况，只需在自动填料装置的料筒中添加足够材料，即可自动补充液态金属喷墨装置1及光固化材料槽6中的材料；自动填料装置的料筒设置在机架7外侧，且具有足够容积，以提升易用性；

控制系统8用于读取打印设计文件，进行文件切片及路径规划，并对液态金属喷墨装置1，光发射器2，多轴移动装置3，升降装置4 的工作情况进行控制；控制系统8可以使用工控机直接连接在机架7 上，也可以使用PC进行远程通信控制；控制系统8可调整切片相关参数；该控制系统8搭载有信息显示模块。所述打印平台在升降方向上的正投影位于光固化材料槽内，所述液态金属喷墨装置和光发射器位于打印平台的上方。所述液态金属喷墨装置、光发射器、多轴移动装置、升降装置均连接所述控制系统。

本发明采用的液态金属9的成分为铋铟锡合金与纳米铁粉的混合物，在合金中，铋占质量分数的约55％，锡占质量分数的约40％，铟占质量分数的约5％，掺入基于合金总质量约5％的纳米铁粉，铁粉粒度约为100nm，该混合物可被磁铁吸引，打印制成的器件具有一定磁性；

本发明采用的光固化材料10的成分包括质量份的聚氨酯丙烯酸酯70份，吸收波长在250-480纳米范围的自由基引发剂8份，活性稀释剂20份，消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂各4份(均为市购)。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

实施例2：

采用实施例1的设备，复合增材的打印方法为：

S1、将打印文件传输到控制系统，控制系统完成金属层和非金属层的切片设计，两种材料切片层数一致，单层层厚为0.01mm-1mm；

S2、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，打印平台表面不被光固化材料浸没；

S3、控制系统控制多轴移动装置，使液态金属喷墨装置按照金属层的切片设计运动，控制系统控制液态金属喷墨装置在打印平台上喷射金属微滴，使其形成一层金属层结构；

S4、控制系统控制升降装置，使打印平台向下移动一层的距离，使打印平台上覆盖一层与金属层厚度一致的液态光固化材料；

S5、控制系统控制多轴移动装置，使光发射器按照切片设计运动，控制系统控制光发射器扫描光固化材料(扫描速度与切片层厚匹配，单层越厚，扫描速度越慢，以保证该层材料完整固化)，使其在打印平台上形成一层非金属层结构；所述光发射器在切片全部面积范围内同等强度照射；

S6、新固化层表面已经没有液态光固化材料，等厚度的已固化的金属层12与已固化非金属层11共同形成一个新的平面，因此可以再次使金属材料附着，以新形成的固化层表面为基础，返回步骤S3，直至所有层的金属及非金属结构打印完成；

S7、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，取下打印好的复合结构，即得。

实施例3

本实施例采用的设备与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图2所示，本实施例所使用的液态金属喷墨装置1为撞针式液态金属喷墨阀，包括加热腔体，绝缘推进杆，微喷嘴，反馈控制系统，墨水回收系统等部件，所使用的光发射器2为聚焦紫外激光发射器 (用紫外波段的激光二极管，配合透镜构成)，本实施例为异形结构电路的打印，即打印的结构层与层之间的尺寸和结构是不一致的。

打印前准备过程与实施例1一致，图中打印文件的金属层及非金属层并非平行结构，在各个切片层上，通过聚焦紫外激光发射器进行由点到线，由线到面的扫描固化，使各个固化层形状按照预设逐渐变化，多个逐渐变化的固化层形成预设角度与方向的斜面或其他异形表面，结合撞针式液态金属喷墨阀打印斜面或其他异形表面金属层，形成异形非平行的电路结构，其余方法与实施例1一致，最终得到所需的异形结构电路。

实施例4：

采用实施例1的设备，其中液态金属采用的是单质镓。

复合增材的打印方法同实施例2。

实施例5：

采用实施例1的设备，其中液态金属采用的是锡锌合金，其中锌的质量分数为9％。

复合增材的打印方法同实施例2。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，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 (10)

1.一种金属与非金属复合增材的制造设备，其特征在于，包括液态金属喷墨装置，用于微量喷射液态金属；

光发射器，用于使光固化材料快速聚合固化；

多轴移动装置，用于水平移动所述液态金属喷墨装置、光发射器，所述液态金属喷墨装置、光发射器连接在多轴移动装置上；

打印平台，用于承载打印的金属及非金属复合结构，

升降装置，用于移动所述打印平台，所述打印平台连接在升降装置上；

光固化材料槽，用于盛放液态的光固化材料；

机架，用于固定所述多轴移动装置、升降装置及光固化材料槽并使整机保持稳定；

控制系统，用于控制所述液态金属喷墨装置，光发射器，多轴移动装置，升降装置的工作情况；

所述打印平台在升降方向上的正投影位于光固化材料槽内，所述液态金属喷墨装置和光发射器位于打印平台的上方；所述液态金属喷墨装置、光发射器、多轴移动装置、升降装置均连接所述控制系统。

2.根据权利要求1所述的制造设备，其特征在于，所述液态金属喷墨装置包括喷墨阀，所述喷墨阀为液态金属喷墨阀或是加装了加热元件的压电式喷墨阀、热泡式喷墨阀、撞针式喷墨阀中的一种；所述喷墨阀具有墨水回收功能。

3.根据权利要求1所述的制造设备，其特征在于，所述光发射器为聚焦紫外激光发射器或由多个发光单元构成发光单元阵列，所述聚焦紫外激光发射器用单个发光单元结合透镜形成；所述光发射器的发射波段与光固化材料的吸收波长匹配。

4.根据权利要求3所述的制造设备，其特征在于，所述发光单元为激光二极管。

5.根据权利要求1所述的制造设备，其特征在于，在所述机架上设置有液位检测装置和自动填料装置，所述液位检测装置用于检测液态金属喷墨装置、光固化材料槽中材料液位状态，并将信号传输给所述控制系统；

所述自动填料装置连接于所述控制系统，在液位不足时自动补充液态金属喷墨装置、光固化材料槽中的材料。

6.根据权利要求1～5任一所述的制作设备，其特征在于，所述液态金属的成分是熔点在300℃以下的低熔点单质金属或合金，或者是在单质金属或合金中添加有基于单质金属或合金质量的0.1～10％的导电颗粒的混合物，所述导电颗粒的粒度为1nm～100μm。

7.根据权利要求1～5任一所述的制作设备，其特征在于，所述光固化材料的成分为光敏树脂，或者是其他在受到紫外光、可见光以及电子束辐照后可快速转变为固态的材料；

所述的光敏树脂包括预聚物、光引发剂、和其他助剂；

所述的预聚物包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、不饱和聚酯、乙烯基醚类低聚物中的一种或几种，

所述的光引发剂为吸收波长在250-700纳米的物质；优选地，所述的光引发剂包含吸收波长在250-480纳米范围的自由基引发剂、阳离子引发剂中的一种；

所述的其他助剂包括活性稀释剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的制作设备，其特征在于，所述光敏树脂包括质量份的预聚物30-90份，光引发剂1-15份，活性稀释剂2-40份，消泡剂2～10份，润湿剂2～10份，分散剂2-10份，增稠剂2～10份。

9.一种金属与非金属复合增材的制造方法，采用权利要求1～8任一所述的制作设备进行，包括步骤：

S1、将打印文件传输到控制系统，控制系统完成金属层和非金属层的切片设计，两种材料切片层数一致，单层层厚为0.01mm-1mm；

S2、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，打印平台表面不被光固化材料浸没；

S3、控制系统控制多轴移动装置，使液态金属喷墨装置按照金属层的切片设计运动，控制系统控制液态金属喷墨装置在打印平台上喷射金属微滴，使其形成一层金属层结构；

S4、控制系统控制升降装置，使打印平台向下移动一层的距离，使打印平台上覆盖一层与金属层厚度一致的液态光固化材料；

S5、控制系统控制多轴移动装置，使光发射器按照切片设计运动，控制系统控制光发射器扫描光固化材料，使其在打印平台上形成一层非金属层结构；

S6、新固化层表面已经没有液态光固化材料，等厚度固化的金属与非金属共同形成一个新的平面，返回步骤S3，直至所有层的金属及非金属结构打印完成；

S7、控制系统控制升降装置，使打印平台移动到光固化材料槽上方，取下打印好的复合结构，即得。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，步骤S5中，所述光发射器在切片全部面积范围内同等强度照射；或，在各个切片层上，采用聚焦紫外激光发射器进行由点到线，由线到面的扫描固化，使各个固化层形状按照预设逐渐变化，多个逐渐变化的固化层形成预设角度与方向的斜面或其他异形表面。