CN108112159B - 一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，该制造装置采用模块化设计，将纳米金属的增材送料模块、原位加热、原位激光烧结、原位辐照还原、气体保护进行高度集成并协同控制。不仅能实现二维平面电路制备，还可以实现具有复杂曲面曲率以及曲率变化的三维电路制备。本发明将纳米金属电路的成型、原位还原、原位烧结进行一体化制备，解决了纳米金属氧化问题，提高了效率，制件形状和尺寸也无须受烧结炉的限制，扩大了增材制造方法的适用范围，改善了传统纳米金属电路制备过程中纳米金属颗粒分布不匀或者烧结后残留孔隙问题，提高了电路致密性和一致性，最终获得性能优良的电路。

Description

一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置

技术领域

本发明属于印刷电子技术领域，主要涉及一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置。

背景技术

在电子工业中金属布线或者电子线路制造至关重要。传统印制电路中，多采用光刻技术。该技术作为一种“减材”制造技术，存在环境污染、浪费原料、工序多、效率和成品率低等问题。对于复杂的电子线路尤其是三维电路的制造，该技术具有一定的局限性。增材制造技术作为一种新型制造技术，可以有效地解决上述问题。作为增材制造重要材料之一的纳米金属材料特别是纳米金属导电墨水/浆料，近几年也得到了学者们的广泛关注和研究。随着纳米金属导电墨水/浆料制备技术的逐渐成熟，利用其进行电子线路制备的方法主要包括以下几种：

1）喷墨印刷作为一种非接触式印刷，与其他印刷技术比较，工艺有所简化；2）轻敲式电子打印，该方法的工作原理与圆珠笔类似，主要利用打印头的球珠与基底摩擦驱使球珠转动，使笔筒内的液态金属墨水流出，实现电路的直写【Zheng Y, He Z Z, Yang J, LiuJ. Personal electronics printing viatapping mode composite liquid metal inkdelivery and adhesion mechanism[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 4588】。该方法对导电墨水颗粒要求极其严格甚至需要采用无颗粒型导电墨水，材料使用具有一定局限性。此外，还有雾化喷墨式液态金属打印法【 Zhang Q, Gao Y X, Liu J. Atomizedspraying of liquid metal droplets on desired substrate surfaces as ageneralized way for ubiquitous printed electronics[J]. Applied Physics A,2013,113(4): 17】、微接触式液态金属打印法【Tabatabai A, Fassler A, Usak C,Majidi C.Liquid phase gallium indium alloy electronics with microcontactprinting[J]. Langmuir, 2013, 29(20):6194-6200】等。

这些打印技术往往都是先制备电子线路，然后进行烧结。制备烧结过程中纳米金属，尤其是纳米铜等材料存在易氧化问题。为了解决这个问题，一些研究机构在易氧化的纳米铜导电墨水或浆料配置和使用过程中加一些还原剂如水合肼做保护，制备过程中不可避免会产生气泡、副产物和残留物，致使最终获得的电路出现孔隙，致密性、一致性受到影响。另一种解决方案则是在烧结过程中采用可以进行惰性气体保护的烧结炉进行烧结。制备时间长，效率低，且烧结制件尺寸大小还要受到烧结炉尺寸的限制。除了上述问题外，很多电子线路打印本质上仍属于二维平面打印，不能满足在复杂三维曲面上自由设计和制造电子线路的需求。因此，需要一种新的机制创新来实现纳米金属导电墨水或浆料进行三维电路的一体化制造。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种纳米金属电路原位制备的增材制造装置，该装置可以结合三维机械运动平台技术或者机械臂运动，实现纳米金属导电墨水在制件表面（平面或者三维曲面）的电子线路增材制造，通过原位成型、原位还原和原位烧结的一体化制备，获得致密性、一致性性能优良的电子线路。

为了实现上述技术目标，本发明采用以下技术方案：

一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，包括成形室、增材送料模块、原位加热模块、原位烧结模块、原位辐照还原模块和气体保护模块，所述的原位加热模块包括设置在成形室底部的加热底板，加热底板的上表面安置待加工制件的加工平台。所述的增材送料模块包括管状的送料腔，送料腔内部设有轴向延伸的储料管，储料管的一端与送料腔头部的出料口相连接，储料管的另外一端与送料腔外部的送料动力元件相连接，所述送料腔经固定装置固定在垂直于加工平台的打印轴上或经固定装置固定与机械臂连接。所述的原位烧结模块包括光源发射器，光源发射器发出的光源经光学元件聚焦或引导至加工平台上的待加工制件的表面。所述的原位辐照还原模块包括辐照还原光源，辐照还原光源经固定支架安装在成形室四周的内壁上。所述的气体保护模块包括外氛围保护部和原位送料保护部，外氛围保护部包括设置在成形室两侧的进气口，所述进气口分别与气体进气管相连通。所述的原位送料保护部包括气体流通腔，所述的气体流通腔由增材送料模块的储料管外壁与送料腔内壁之间围绕而成，气体流通腔的一端在送料腔的头部形成出气口，所述出气口环绕在出料口的外周侧，气体流通腔的另外一端与气体进气管相连通。

通过上述技术方案，本发明一种纳米金属电路原位一体化的增材制造装置包括了增材送料模块、原位辐照还原模块、原位加热模块和气体保护模块，将原位成型、原位辐照还原、原位烧结、气体保护进行一体化设计并高度集成。使用本发明进行纳米金属电路的增材制造时可以根据制件过程中的具体需要选择全部开启上述四个模块，或将需要的几个部分模块进行开启，增强了本发明使用的灵活性。原位加热模块中的加热底板将热量通过加工平台传递给制件，可以辅助原位干燥、成型、烧结及去除有机物，提高导电性、致密度；原位烧结模块的能量源选用高能量密度的光源作为能量供给，对送出的打印材料进行快速烧结而不损伤基底材料，相对传统烧结技术，大大减少了烧结辅助时间，提高了烧结效率；原位辐照还原模块将还原光设置在成形室内周壁，在制件表面进行电路成型时，可以利用还原光对纳米金属电路制备层进行还原，对纳米金属尤其是易氧化的纳米铜出现的氧化进行及时还原，大大提高了制备电路的导电性；本发明实际上还包含了一套完备的气体保护系统，该保护气体系统包括外氛围保护部和原位送料保护部两个部分：一部分气体从成形室内加工平台两侧的进气口进入，制件加工过程中，在整个成形室内形成气体保护；另一部分保护气体由与气体流通腔连通的气体进气管进入，由送料腔头部环绕在出料口的外周侧的出气口均匀喷出，由于本发明针对金属纳米电路进行原位一体化增材制造，纳米金属尤其是纳米铜与空气接触会快速氧化，针对这种情况，本发明特别在原料出料口的外周侧设置保护气体的出气口，在纳米金属原料离开送料腔的同时就在周边形成了一层保护气体，真正实现了对原料的原位送料保护，由此本发明的气体保护系统通过外氛围保护部和原位送料保护对加工制件形成全方位的保护，在纳米金属电路增材制造领域有重要的进步意义。本发明的原位烧结模块主要由激光和辅助光学器件构成，激光光斑通过辅助光学器件聚焦在出料口下方的待烧结制件表面上；通过该装置，使纳米金属，尤其是易氧化纳米金属材料如纳米铜，制造电路的过程可以一步完成，被氧化的可能性大大降低甚至完全消除。制件的尺寸和形状不再受烧结炉局限，提高了制件选择范围的灵活性。采用该装置，将叠层成型增材制造过程与原位烧结技术相结合，可以防止传统制备过程中由于纳米金属颗粒分布不均导致烧结后出现孔隙等缺陷，提高电子线路的致密性、一致性，对纳米金属电路增材制造方法在电子产品领域的发展具有很大意义

通过上述技术方案，本发明选用的光源能量密度足够高时还会伴随打印材料的局部熔化，局部熔化的纳米金属材料如纳米铜可以通过自身特点实现快速冷却凝固，使烧结改性时间大大缩短，提高烧结效率和改性效果，同时不伤衬底，在加工过程中对衬底起到更好的保护作用。

进一步，本发明所述加热底板通过四个可调节弹簧螺钉固定在成形室底部上并进行调平。

进一步，本发明所述的送料动力元件优先选用气压式驱动元件、电气式驱动元件的任一种或两种混合向储料管内送料。

气压式驱动元件多采用脉冲信号控制空气或惰性气体工作介质，得到的驱动力较大，但由于空气粘性差并具有可压缩性，故不适用于制件精度和定位精度要求比较高的金属电路。

电气式驱动元件易于实现电信号控制及编程，易于与CPU连接，适合进行定位伺服控制，响应速度快，提供的驱动力大。对于微量位移用器件，可选用压电驱动器和电热驱动器；对于位移比较大器件，可选用控制电动机如伺服电动机。

进一步，本发明所述增材送料模块还包括用于检测和控制出料口与制件表面距离的距离传感器，所述的距离传感器为适应不同曲率的曲面电路制备，调整增材送料模块与制件表面距离，该距离通过距离传感器进行实时测量，并形成反馈信号不断修正打印轴或机械臂运动，使用距离传感器形成反馈信号修正打印轴或机械臂的运动为本领域常规技术，不赘述。

进一步，本发明所述成形室以及辐照还原光源的固定支架均由高温隔热材料制备，且所述的成形室为顶部开口的半封闭式结构。

本发明的成形室采用半封闭式结构，采用耐高温隔热材料支撑，有利于惰性保护气体在制件表面均匀分布，并保持合适的温场。

进一步，本发明所述加热底板内置电阻丝加热，通过热电偶显示并控制温度。

进一步，本发明所述的气体进气管可用于引入惰性保护气体或还原气体的任一种，或同时引入惰性保护气体和还原气体，使用过程中通过通气阀门的设置可以根据需要导入惰性保护气体或还原气体，也可以实现两种气体同时导入的功能，可以全方位保护本发明的加工制件。

本发明的有益效果在于：1. 使用本发明的装置可以直接将纳米金属材料进行二维电路制备，同时也能实现复杂的三维电子线路的制备，使纳米金属制造电路的过程得以一步完成，制件的尺寸和形状不再受烧结炉局限，提高了制件选择范围的灵活性，对增材制造方法在复杂纳米金属电路制造中的应用具有极大的推动作用。2. 本发明的制造装置将原位成型、原位辐照还原、原位烧结、气体保护进行一体化设计并高度集成，不仅可以防止传统制备过程中由于纳米金属颗粒分布不均导致烧结后出现孔隙等缺陷，而且可以防止纳米金属材料在制造过程中的氧化，提高了电子线路的致密性、一致性和制备电路的导电性。3. 本发明在对制件表面进行电路成型时，先对其进行底板加热，使制件整体具有一定的温度，对原位干燥、成型具有一定的辅助作用，并可以对制件表面成型电路进行低温辅助烧结，去除有机物，提高导电性、致密度。4. 在使用本发明的装置对制件表面进行电路成型时，利用高能量密度的光源能实现纳米金属材料的快速烧结而不损伤基底材料；即使伴随纳米金属材料的局部熔化，也会因为烧结区域较小以及纳米金属材料通过自身快速冷却而实现凝固，相对传统烧结技术，大大减少了烧结辅助时间，提高了烧结效率。5. 本发明在制件表面成型电路的制备过程中，将增材送料模块、原位加热、原位辐照还原、原位激光烧结以及气体保护进行高度集成的设计模式，既可单独作为纳米金属一体化增材制造装置，又可以根据实际需要选取其中一个或几个模块作为独立模块单元。该装置或者独立模块单元可以加载在不同装置上，进一步增加了本发明灵活应用的范围。

附图说明

图1为本发明纳米铜电路原位一体化增材制造装置结构示意图。

图2为增材送料模块的结构示意图。

附图标记：1-增材送料模块；2-固定支架；3-辐照还原光源；4-成形室；5-接线孔；6-加热底板；7-进气口；8-光学器件；9-制件表面；10-螺钉紧固件；

图2中所示为：100-送料动力元件；101-送料腔；102-气体进气管；103-气体流通腔；104-储料管；105-出气口；106-出料口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，包括：成形室4、增材送料模块1和原位辐照还原模块、原位烧结模块、原位加热模块、气体保护模块，其中成形室4的底部设有原位加热模块，所述的原位加热模块包括设置在成形室底部的加热底板6，加热底板6内置电阻丝加热，通过热电偶显示并控制温度，加热底板6的上表面用于安置待加工制件的加工平台，本实施例中所述加热底板6通过四个可调节弹簧螺钉固定在成形室4底部，可根据需要进行调平，保证增材制造过程叠层制造精度；

所述的增材送料模块包括管状的送料腔101，送料腔101内部设有轴向延伸的储料管104，储料管104的一端与送料腔101头部的出料口106相连接，储料管104的另外一端与送料腔101外部的送料动力元件100相连接，所述送料腔101经固定装置固定在垂直于加工平台的打印轴上或经固定装置固定与机械臂连接。

所述的原位烧结模块包括光源发射器，光源发射器发出的光源经光学元件聚焦或光纤引导至加工平台上的待烧结的制件表面9，在本实施例中光学器件8选用光纤，光源选用激光，通过光纤将激光引导到出料口106下方的制件表面9上，也可以采用其它光学器件控制激光到制件表面。

成形室4内部还设有原位辐照还原模块，所述的原位辐照还原模块包括辐照还原光源3，辐照还原光源3经带有固定卡槽的固定支架2安装在成形室4四周的内壁上，辐照还原光源3的光源电路通过成形室4上的接线孔5与外部的辐射还原控制驱动电路板相连接，本实施例中使用的辐照还原光源3均匀分布在成形室4四周的内壁上。

所述的气体保护模块包括外氛围保护部和原位送料保护部，外氛围保护部包括设置在成形室两侧的进气口7，所述进气口7分别与气体进气管相连通；所述的原位送料保护部包括气体流通腔103，所述的气体流通腔103由增材送料模块的储料管104外壁与送料腔100内壁之间围绕而成，气体流通腔103的一端在送料腔的头部形成出气口105，所述出气口105环绕在出料口的外周侧，气体流通腔103的另外一端与气体进气管102相连通。通入保护气体时，增材送料模块进气管102可以采用三通管或者其它可连通的方式与进气口7连通送气；如果使用不同气体亦可分别加载在进气口7和增材送料模块气体进气管102处。本发明的成形室采用半封闭式结构，采用耐高温隔热材料支撑，有利于惰性保护气体在制件表面均匀分布，并保持合适的温场。

增材送料模块开始工作时，向储液管104中注入纳米金属材料，该材料优选纳米金属导电墨水/纳米金属浆料，惰性气体由气体进气管102进入，途经气体流通腔103，最后由气体出气口105沿出料口周围均匀喷出。本实施例中的送料动力元件100可以选用气压式驱动元件、电气式驱动元件的任一种驱动或两种的混合向储料管内送料。将储料管104中的纳米金属导电墨水或浆料向出料口106处输送。本实施例中的增材送料模块需要与制件表面9保持一定距离，其轨迹与制件表面曲率一致，从而实现三维曲面电路的制作，为适应不同曲率的曲面电路制备，调整增材送料模块与制件表面距离，该距离通过距离传感器进行实时测量，并形成反馈信号不断修正打印轴或机械臂运动，使用距离传感器形成反馈信号修正打印轴或机械臂的运动为本领域常规技术，不赘述。

Claims (6)

1.一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于包括：成形室、增材送料模块、原位加热模块、原位烧结模块、原位辐照还原模块和气体保护模块，

所述的原位加热模块包括设置在成形室底部的加热底板，加热底板的上表面安置待加工制件的加工平台；

所述的增材送料模块包括管状的送料腔，送料腔内部设有轴向延伸的储料管，储料管的一端与送料腔头部的出料口相连接，储料管的另外一端与送料腔外部的送料动力元件相连接；所述送料腔经固定装置固定在垂直于加工平台的打印轴上或经固定装置固定与机械臂连接；

所述的原位烧结模块包括光源发射器，光源发射器发出的光源经光学元件聚焦或引导至加工平台上的待加工制件的表面；

所述的原位辐照还原模块包括辐照还原光源，辐照还原光源经固定支架安装在成形室四周的内壁上；

所述的气体保护模块包括外氛围保护部和原位送料保护部，外氛围保护部包括设置在成形室两侧的进气口，所述进气口分别与气体进气管相连通；所述的原位送料保护部包括气体流通腔，所述气体流通腔由增材送料模块的储料管外壁与送料腔内壁之间围绕而成，气体流通腔的一端在送料腔的头部形成出气口，所述出气口环绕在出料口的外周侧，气体流通腔的另外一端与气体进气管相连通；

所述的气体进气管用于引入惰性保护气体或还原气体的任一种，或同时引入惰性保护气体和还原气体。

2.根据权利要求1所述的一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于：所述加热底板通过四个可调节弹簧螺钉固定在成形室底部上并进行调平。

3.根据权利要求1所述的一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于：所述的送料动力元件选用气压式驱动元件、电气式驱动元件的任一种或两种的混合向储料管内送料。

4.根据权利要求1所述的一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于：所述增材送料模块还包括用于检测并控制增材送料模块的出料口与制件表面距离的距离传感器。

5.根据权利要求1所述的一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于：所述成形室以及辐照还原光源的固定支架均由高温隔热材料制备，且所述的成形室为顶部开口的半封闭式结构。

6.根据权利要求1所述的一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，其特征在于：所述加热底板内置电阻丝加热，通过热电偶显示并控制温度。

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