CN108566736A - 一种打印装置及印制电路的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种打印装置及印制电路的制备方法，打印装置，包括：沿水平X轴和Y轴方向移动的喷头支架；沿X轴方向并排固定在所述喷头支架上的第一喷头和第二喷头；所述第一喷头用于在基底上喷涂高分子有机材料的线路，与装填有高分子有机材料的第一料盒连通；所述第二喷头用于在所述高分子有机材料的线路上喷涂液态金属，与装填有液态金属的第二料盒连通；所述第一喷头和第二喷头在跟随所述喷头支架沿X轴方向移动时，所述第一喷头位于所述第二喷头之前。本发明通过以高分子有机材料改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。

Description

一种打印装置及印制电路的制备方法

技术领域

本发明属于电子打印技术领域，尤其涉及一种打印装置及印制电路的制备方法。

背景技术

在传统的电子印刷领域，电子电路的制备往往需要复杂的过程，并且在制备的过程中伴随着资源的浪费和环境污染。例如，传统电路制备方法中的铜板蚀刻工艺需要事先将金属铜镀在电路基板(一般为玻璃纤维板)上，之后通过化学腐蚀或激光雕刻的方法，去除多余部分的金属铜，最终在基底表面形成特定形状的铜电路。这种制备工艺加工时间长，工艺复杂，对制造仪器的要求较高。当今社会人们对个性化定制产品的需求越来越大，个人定制电子电路的技术方案却乏善可陈。

液态金属是一类熔点较低的金属或合金，如常见的金属汞。金属汞具有很强的毒性，因而很难应用于日常生活领域。其他类型的液态金属，如镓基合金和铋基合金等材料在较低温度下也可以保持液态，而且具有金属的导电性和导热性，重要的是，此类合金生物毒性较低，可以用于日常生活领域。此外，有研究采用低熔点合金作为导电材料，制作平面印刷电路，并且将该种材料用于金属3D打印领域。

目前，液态金属只能印制在亲液态金属的基材上，导致液态金属的印制的适应性低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种打印装置,以现有技术中液态金属的打印对于基材的要求较高，适应性低的问题。

在一些说明性实施例中，所述打印装置，包括：沿水平X轴和Y轴方向移动的喷头支架；沿X轴方向并排固定在所述喷头支架上的第一喷头和第二喷头；所述第一喷头用于在基底上喷涂高分子有机材料的线路，与装填有高分子有机材料的第一料盒连通；所述第二喷头用于在所述高分子有机材料的线路上喷涂液态金属，与装填有液态金属的第二料盒连通；所述第一喷头和第二喷头在跟随所述喷头支架沿X轴方向移动时，所述第一喷头位于所述第二喷头之前。

在一些可选地实施例中，所述喷头支架还沿Z轴方向移动。

在一些可选地实施例中，在所述第一喷头和第二喷头进行喷涂作业时，所述喷头支架沿X轴方向进行单向移动。

在一些可选地实施例中，所述喷头支架上设置有喷头位置切换机构，所述第一喷头与所述第二喷头通过设置在所述喷头位置切换机构跟随所述喷头支架移动；所述喷头位置切换机构用于在所述喷头支架沿所述X轴方向进行往返移动时，切换所述第一喷头与所述第二喷头的位置，维持所述第一喷头和第二喷头进行喷涂作业时，所述第一喷头位于所述第二喷头之前的状态。

在一些可选地实施例中，所述喷头支架上设置有沿X轴方向进行伸缩变化的伸缩机构，所述第一喷头与所述第二喷头通过设置在所述伸缩机构的两端跟随所述喷头支架移动；所述伸缩机构用于调整所述第一喷头与所述第二喷头之间的间距。

在一些可选地实施例中，所述高分子有机材料选用以下之一的材料：PDMS、Ecoflex、聚氨酯、硅胶和丙烯酸类聚合物。

本发明的另一个目的在于提出一种印制电路的制备方法。

在一些说明性实施例中，所述印制电路的制备方法，包括：步骤1、对打印图形进行切片处理；步骤2、在基底上进行逐个切片的印制；印制过程中，首先启动第一喷头，并以预设的时间间隔启动第二喷头，使液态金属涂覆在高分子有机材料线路上，形成液态金属线路；步骤3、印制结束后，对整体进行封装处理，得到印制电路。

在一些可选地实施例中，在所述步骤2之前，还包括：根据所选基底及高分子有机材料，通过伸缩机构调节所述第一喷头与所述第二喷头的间距。

在一些可选地实施例中，在所述步骤2的过程中，包括：所述第一喷头与所述第二喷头跟随喷头支架进行“S”型轨迹往返运动，在其中的运动轨迹的方向改变时，通过喷头位置切换机构切换所述第一喷头与第二喷头的位置。

在一些可选地实施例中，所述基底选用以下之一的材质：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明通过以高分子有机材料改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。

附图说明

图1是本发明实施例中的打印装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的打印装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中的印制电路的制备流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

为了便于更快的理解本发明中的各实施例，在此对本发明的主要思想进行简要说明。发明人发现液态金属对于不同材料的基底的粘附性差异明显。具体的，液态金属对于高分子有机材料表现较好的粘附性，这是由于有机高分子材料可以提供较高的范德华力以及形成一定程度的氢键相互作用，因此液态金属可均匀涂覆在高分子有机材料形成的层体表面，且形态稳定。发明人通过上述发现，利用高分子有机材料对印制表面进行改性处理，使印制表面对于液态金属的粘附性得到提升，再在改良后的区域涂覆液态金属，实现液态金属对于任意基底的粘附，进而在任意基底上形成印制电路。

现在参照图1，图1示出了本发明实施例中的打印装置的结构示意图，如该结构示意图所示，本发明公开了一种针对于液态金属原料的打印装置，包括：沿水平X轴和Y轴方向移动的喷头支架1；沿X轴方向并排固定在所述喷头支架1上的第一喷头2和第二喷头3；所述第一喷头2用于在基底4上喷涂高分子有机材料5的线路，与装填有高分子有机材料5的第一料盒连通(图中未示出)；所述第二喷头3用于在所述高分子有机材料5的线路上喷涂液态金属6，与装填有液态金属6的第二料盒(图中未示出)连通；所述第一喷头2和第二喷头3在跟随所述喷头支架1沿X轴方向移动时，所述第一喷头2位于所述第二喷头3之前。

本发明通过以高分子有机材料改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。

在一些实施例中，喷头支架1在设定喷头与基底之间的喷涂距离，且该喷涂距离经过测试为最优/较优距离，可喷涂形成较好的线路效果时，则可无需设置喷头支架1在Z轴方向的移动结构，但对于多样化的基底及喷涂原料的选择使，优选地可使喷头支架1在X、Y、Z轴方向均可移动。

本发明实施例中的X、Y、Z轴中Z轴是指垂直于水平方向，而X轴和Y轴则可根据打印装置的任意方向设置，优选地，X轴是指打印作业时喷涂轨迹方向，Y轴则是指水平面内垂直于喷涂轨迹方向。

在一些实施例中，打印装置可以支持多种作业模式，包括：

作业模式1：在所述第一喷头和第二喷头进行喷涂作业时，所述喷头支架沿X轴方向进行单向移动。即如设定喷头作业方向为从左向右方向，当喷头沿该方向移动时，进行喷涂作业，当喷头完成当前切片的喷涂作业后，沿反方向移动至其下一个作业初始位置的过程中，喷头不进行喷涂作业。

作业模式2：第一喷头和第二喷头支持双向喷涂作业，即当喷头自第一初始位置工作时，沿第一方向喷涂作业完成当前切片的成型，之后，移动到下一条切片的另外一端作为该切片的初始位置，进行移动喷涂，使喷头进行“S”型往返喷涂作业。

作业模式2与作业模式1相比较，作业模式2喷头作业更高效。

为了实现本发明中目的，并使打印装置支持作业模式2，在所述喷头支架1上设置有喷头位置切换机构7(图1未示出)，所述第一喷头2与所述第二喷头3通过设置在所述喷头位置切换机构7跟随所述喷头支架1移动；所述喷头位置切换机构7用于在所述喷头支架1沿所述X轴方向进行往返移动时，切换所述第一喷头2与所述第二喷头3的位置，维持所述第一喷头2和第二喷头3进行喷涂作业时，所述第一喷头2位于所述第二喷头3之前的状态。

由于不同的基底以及不同的高分子有机材料的选择，可使得高分子有机材料在基底上的成型时间不同，当高分子有机材料未达到其稳定状态时，在其上喷涂的液态金属则无法达到其理想效果，容易破坏高分子有机材料的涂覆线路，进而影响整体印制效果。

针对上述问题，本发明实施例中通过在所述喷头支架1上设置有沿X轴方向进行伸缩变化的伸缩机构8，所述第一喷头2与所述第二喷头3通过设置在所述伸缩机构8的两端跟随所述喷头支架1移动；所述伸缩机构8用于调整所述第一喷头2与所述第二喷头3之间的间距。

如图2，在一些实施例中，第一喷头2与所述第二喷头3可设置在伸缩机构8上，而伸缩机构8则设置在喷头位置切换机构7，喷头位置切换机构7则设置在喷头支架1上。其中，喷头位置切换机构7可以采用有转动轴连接的转动机构，其转动轴可通过电机控制，转动轴的输出端(即末尾端)与伸缩机构8固定连接。

高分子有机材料选用以下之一：PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶、丙烯酸类聚合物等长链高分子有机材料。优选地，高分子有机材料可选用Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶或丙烯酸类聚合物，相比较PDMS(聚二甲基硅氧烷)而言，其成型后的气密性较好，不易使空气渗入其中，与液态金属接触，从而避免由于氧化影响液态金属的电学性质。

液态金属又称低熔点金属，其包括熔点在300摄氏度以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金或由液态金属单质/低熔点金属合金与金属纳米颗粒和流体分散剂混合形成的导电纳米流体。更为具体地，当选用所述导电纳米流体时，流体分散剂优选为乙醇、丙二醇、丙三醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

在一些实施例中，低熔点金属合金成分可包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、银、铜、钠、钾、镁、铝、铁、镍、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种。

优选地，液态金属具体的选择范围包括：汞单质、镓单质、铟单质、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。

在一些实施例中，所述液态金属可选用常温下呈液态的低熔点金属，包括：熔点为29摄氏度的镓单质和/或熔点处于10–30摄氏度之间的镓基合金(其熔点与其配比相关)。通过选用常温下呈液态的低熔点金属，可降低印刷电路的制备要求与成本。

如图3，本发明的另一个目的在于提出一种印制电路的制备方法，该方法可利用上述打印装置完成、亦可选用上述原料(如液态金属和高分子有机材料)，包括：

步骤S11、对打印图形进行切片处理；

步骤S13、在基底上进行逐个切片的印制；印制过程中，首先启动第一喷头，并以预设的时间间隔启动第二喷头，使液态金属涂覆在高分子有机材料线路上，形成液态金属线路；

步骤S14、印制结束后，对整体进行封装处理，得到印制电路。

在一些实施例中，在所述步骤S12之前，还包括：步骤S12、根据所选基底及高分子有机材料，通过伸缩机构调节所述第一喷头与所述第二喷头的间距。

在一些可选地实施例中，在所述步骤2的过程中，包括：所述第一喷头与所述第二喷头跟随喷头支架进行“S”型轨迹往返运动，在其中的运动轨迹的方向改变时，通过喷头位置切换机构切换所述第一喷头与第二喷头的位置。

本发明实施例中的基底可选用表面粗糙的材质的基底，这类基底由于粗糙的界面使金属/金属氧化层与基底的作用距离增大，接触面积大大减小，降低了金属的浸润性，并且不能形成分子间作用力，通过基底表面改性处理后，可有效的解决上述问题。进而，本发明实施例中的基底可使用任意材质的基底，例如表面粗糙的纸材、布料、木材、石材等，除表面粗糙材质的基底之外，本发明亦可使用表面较光滑的塑料、玻璃等。

针对上述印制电路的制备方法，本发明公开了一个印制电路的制备方法的具体实施方式，进行举例说明。

该具体实施方式中包括：上述打印装置、高分子有机材料、液态金属和基底；其中，高分子有机材料选用硅胶；液态金属选用低共熔的镓铟合金，其熔点不高于20摄氏度；基底选用PVC膜；

首先，将基底放置在打印装置的打印工作面上，启动打印装置，选择印制图形，打印装置对所选择的印制图形进行切片处理，将印制图形切分为若干切片。输入选用的基底与高分子有机材料，打印装置将第一喷头与第二喷头的间距调节为5cm。启动打印作业，喷头支架将第一喷头与第二喷头带到首个切片的左侧打印初始位置，喷头支架带动第一喷头与第二喷头以2.5cm/s的速度向沿X轴方向向右侧移动，同时第一喷头开始喷涂作业，2秒后第二喷头开始作业，当该切片的打印作业完成后，喷头支架将第一喷头与第二喷头带到当前侧的下一个切片的右侧打印初始位置，并切换第一喷头与第二喷头的位置，使第一喷头的位置在运动方向上在前，第二喷头在后，继续进行喷涂作业。直至完成最末一个切片的打印，对印制品整体进行封装处理。封装材料亦可选用高分子有机材料实现。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种打印装置，其特征在于，包括：

沿水平X轴和Y轴方向移动的喷头支架；

沿X轴方向并排固定在所述喷头支架上的第一喷头和第二喷头；

所述第一喷头用于在基底上喷涂高分子有机材料的线路，与装填有高分子有机材料的第一料盒连通；

所述第二喷头用于在所述高分子有机材料的线路上喷涂液态金属，与装填有液态金属的第二料盒连通；

所述第一喷头和第二喷头在跟随所述喷头支架沿X轴方向移动时，所述第一喷头位于所述第二喷头之前。

2.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于，所述喷头支架还沿Z轴方向移动。

3.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于，在所述第一喷头和第二喷头进行喷涂作业时，所述喷头支架沿X轴方向进行单向移动。

4.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于，所述喷头支架上设置有喷头位置切换机构，所述第一喷头与所述第二喷头通过设置在所述喷头位置切换机构跟随所述喷头支架移动；

所述喷头位置切换机构用于在所述喷头支架沿所述X轴方向进行往返移动时，切换所述第一喷头与所述第二喷头的位置，维持所述第一喷头和第二喷头进行喷涂作业时，所述第一喷头位于所述第二喷头之前的状态。

5.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于，所述喷头支架上设置有沿X轴方向进行伸缩变化的伸缩机构，所述第一喷头与所述第二喷头通过设置在所述伸缩机构的两端跟随所述喷头支架移动；

所述伸缩机构用于调整所述第一喷头与所述第二喷头之间的间距。

6.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于，所述高分子有机材料选用以下之一的材料：

PDMS、Ecoflex、聚氨酯、硅胶和丙烯酸类聚合物。

7.一种印制电路的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、对打印图形进行切片处理；

步骤2、在基底上进行逐个切片的印制；印制过程中，首先启动第一喷头，并以预设的时间间隔启动第二喷头，使液态金属涂覆在高分子有机材料线路上，形成液态金属线路；

步骤3、印制结束后，对整体进行封装处理，得到印制电路。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2之前，还包括：根据所选基底及高分子有机材料，通过伸缩机构调节所述第一喷头与所述第二喷头的间距。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2的过程中，包括：

所述第一喷头与所述第二喷头跟随喷头支架进行“S”型轨迹往返运动，在其中的运动轨迹的方向改变时，通过喷头位置切换机构切换所述第一喷头与第二喷头的位置。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底选用以下之一的材质：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。