CN109366980B - 一种激光辅助电喷射原位打印制造方法 - Google Patents

一种激光辅助电喷射原位打印制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，提供了一种激光辅助电喷射原位打印制造方法。“功能材料墨水”在压力作用下从喷针口流出，由于电流体动力学效应作用，形成稳定的泰勒锥喷射出稳定的精细射流，喷射在基体上形成打印层。同时，激光能量器用来对打印层进行复合处理，发射激光束并按照打印轨迹照射在打印层上，在原位同步实现打印结构的高温固化、结晶等功能化处理。本发明直接在基体上原位实现功能结构与器件，消除了传统方法转印、粘贴、拼接等二次定位误差难题，避免了胶粘工艺引发的结合力弱、灵敏度低等问题，并借助电喷射高分辨率打印优势，可以减小功能单元特征尺寸。本发明提高了打印单元结构的尺寸精度和结合强度，进而提高了器件的灵敏度和稳定性。

Description

一种激光辅助电喷射原位打印制造方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种激光辅助电喷射原位打印制造方法。
背景技术
随着先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合，高端智能装备不断向模块化、集成化、智能化的方向发展，因此，智能装备需要集成更多的传感、驱动、控制等功能结构单元以满足特定功能要求。
航空、航天、医疗、微电子等领域都存在大量需要集成多个分立功能结构单元来协同实现特定综合功能的智能装备组件。例如，变形翼飞行器通过在复合材料异型翼面上集成数百个压电驱动微器来协同完成翼的变形；高频3D相控阵超声扫描探头通过在环氧树脂球冠内表面阵列集成近百个压电换能阵元以实现高分辨率3D动态聚焦扫描功能。智能装备组件的综合性能强烈依赖于功能单元的性能、功能单元的空间布局精度和功能单元-基体的结合强度。目前，这类组件的制造大多采用转印、粘贴、拼接等方法将分立单元组合安装到基体上。这些方法虽然简单实用，但是还存在空间布局精度有限、功能单元制造尺度过大、功能单元与基体结合性能弱等不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，发明了一种激光辅助电喷射原位打印制造方法。将电场力施加于功能材料墨水，基于电流体动力效应，电喷射形成微纳米尺度射流，并在基体上形成打印层，然后通过激光对打印层的复合处理，同步实现打印结构的固化、结晶等原位功能化，在原位实现结构和器件的功能化。本发明直接在所需基体上实现功能结构与器件，消除了传统方法转印、粘贴、拼接等二次定位误差难题，避免了胶粘工艺引发的结合力弱、灵敏度低等问题，并借助电喷射高分辨率打印优势，可以减小功能单元特征尺寸。此方法将在基体上直接原位制造微纳米级功能结构，将提高组件集成度和输出性能。
本发明的技术方案：
一种激光辅助电喷射原位打印制造方法，首先对“功能材料墨水”施加稳定的压力，使其从精密喷针口流出，并对“墨水”施加一定的电场，以形成稳定的精细射流，直接喷射打印在基底上形成打印层。然后，按预定轨迹运动基底以打印成型所需形状微结构。最后，利用激光的热效应对打印层复合处理，同步实现打印结构的固化、结晶等原位功能化，在原位实现打印微结构功能化。
该方法是基于激光辅助电喷射原位打印制造装置实现的，包括电喷射打印模块和激光功能化处理模块；
所述的电喷射打印模块包括PC上位机1、CCD相机2、高压电源3、微量注射泵4、精密注射器5、导管6、喷针7和运动平台9；精密注射器5安装在微量注射泵4上，内部装有“功能材料墨水”，微量注射泵4的推柄推动精密注射器5按一定的流量精准的进给；喷针7通过导管6与精密注射器5相连接，“功能材料墨水”流至喷针6口处；高压电源3正极输出端与喷针7相连，负极与打印平板14相连接，在喷针7和打印平板14之间形成稳定电场；“功能材料墨水”在微量注射泵4的推动下从喷针7流出，同时，在电场的作用下，在喷针7口处形成稳定的泰勒锥10，并喷射出稳定的精细射流11在基底上形成打印层；X/Y轴组合形成各种运动路径，Z轴调节喷针7和打印平板14之间的高度，以满足各种打印需求；PC上位机1通过USB接口控制CCD相机2，CCD相机2检测打印区域内的泰勒锥10的稳定性以及打印层的打印路径；
所述的激光功能化处理模块包括PC上位机1和激光能量器8；PC上位机1控制激光能量器8的功率、扫描速度、光斑以及频率；激光能量器8的照射探头与喷针7共同固定在运动平台9的Z轴上，保证其激光束扫描轨迹与打印轨迹重复。
所述的激光能量器8产生激光束12，照射到的区域瞬间产生20-1000℃的高温，根据不同的温度需求，调节不同光斑大小、扫描速度，扫描路径，利用激光的热效应完成对打印微结构13的复合处理。
所述的激光能量器8的激光总功率为10W，温度范围为20-1000℃。
所述的激光能量器8的激光束12的光斑直径为2-20μm。
所述的激光束12扫描速度<1000mm/s。
所述的喷针7口的内径为150μm。
采用上述装置进行电喷射原位打印制造的方法，步骤如下：
1)电喷射打印微观结构
高压电源3在喷针7和打印平板14之间施加电压，形成稳定电场，“功能材料墨水”在微量注射泵4的推动下，从精密注射器5通过导管6流至喷针7出口，在电场、重力场作用下，在喷针7口处形成稳定的泰勒锥10，并产生稳定的精细射流11打印在基底上；根据运动轨迹，通过PC上位机1控制运动平台9的运动不同轨迹，实现各种形状的驱动、传感及控制元件，在PC上位机1屏幕中监测CCD相机2视野内锥射流的打印情况；
2)激光原位功能化处理
电喷射打印一层液体后，PC上位机1自动启动激光能量器8并产生激光束12，利用激光热效应对打印层复合处理，激光束12照射到的区域瞬间产生高温，利用激光束12扫描照射打印层进行原位热处理去除应力；热处理完成后，上位机降低激光能量器8的扫描速度，增加扫描功率，再次对打印层进行扫描照射，在原位对打印层完成固化和结晶化处理；然后，循环进行电喷射原位打印、原位热处理、原位固化、原位结晶化处理；通过层层打印，层层激光扫描去除应力，层层固化和结晶化处理，最后在原位成型所需的形状的打印微结构13。
本发明的有益效果为：本发明避免了传统制造方法拼接过程中多轮定位、划线、粘贴等步骤累积的误差以及胶粘剂造成的接触刚度弱的问题，提高了结构的尺寸精度和结合强度，进而提高了器件的灵敏度和稳定性。
本发明借助了电喷射高分辨率打印优势，可成型微纳米尺寸的微结构，极大的减小结构功能单元的特征尺寸。对于在空间尺寸受限的装备上集成多个功能结构单元等问题，本发明具有巨大的应用价值。
本发明的激光原位热处理方法是利用激光热效应对打印结构在原位复合处理，在原位实现打印结构的固化、结晶等原位功能化，可在原位直接成型功能化结构和器件。同时，该方法仅仅对打印层结构进行高温热处理，而对打印基体不产生任何影响，因此，基体材料应用非常广泛。
附图说明
图1为电喷射打印制造装置三维示意图；
图2为电喷射打印和激光原位功能化处理三维示意图；
图中：1 PC上位机；2 CCD检测相机；3高压电源；4微量注射泵；5精密注射器；6导管；7喷针；8激光能量器；9运动平台；10泰勒锥；11精细射流；12激光束；13打印微结构；14打印平板。
具体实施方式
结合技术方案和附图对本发明进一步说明，实施例的激光辅助电喷射原位打印制造装置包括电喷射打印模块、激光原位功能化处理模块等。
所述精密注射器5安装在微量注射泵4上，内部装有“ZnO悬浮液墨水”。喷针7通过导管6与精密注射器5相连接，高压电源3输出1200V，正极输出端与喷针7相连，负极与打印平板14相连接，ZnO悬浮液墨水在微量注射泵4的推动下从喷针7流出并在电场的作用下，在喷针口处形成形成稳定的泰勒锥10，并喷射出稳定的精细射流11打印在基底上，X/Y轴运动平台带动打印平板14按着预定的运动轨迹运动以形成所需的打印形状。PC上位机1程序自动调节激光器8的能量密度产生激光光束12，从而对打印微结构13的功能材料进行热处理去除应力，再次扫描照射打印层进行原位固化和结晶化处理。PC上位机1和CCD相机2通过USB连接线相连接，监控打印区域内的泰勒锥10的稳定性以及激光器光束12的扫面路径等情况。
实施例的具体实施步骤如下:
1)电喷射打印微观结构
高压电源3正极输出端和负极输出度分别与喷针7和运动平台板14连接，高压电源3施加1200V电压，选用ZnO悬浮液作为“功能材料墨水”，ZnO悬浮液在微量注射泵4的缓慢推动下，流量约为0.5μL/min，从精密注射器5通过导管6流至喷针7出口，在电场、重力场等作用下在喷针口处形成稳定的泰勒锥10，并产生稳定的精细射流11。打印基底放置在打印平板14上，Z轴可以调节喷针7和基底之间的高度约600μm，PC上位机1控制运动平台9带动平台板按着预定的运动轨迹运动，所述精细射流11在基底上喷射打印出规定的形状，在上位机1屏幕中可监测CCD相机2视野内锥射流的打印情况。
2)激光原位功能化处理
电喷射打印一层ZnO悬浮液后，PC上位机1启动激光器8产生激光束12，照射到的地方可以瞬间产生高温，激光束12按照之前电喷射打印的轨迹扫描打印层，调节激光器的功率为20％，扫描速度为120mm/s，光斑大小为0.2mm，对打印层进行第一次扫描去除应力。扫描完成后，再次调节激光器功率为35％，其他参数不变，对打印层进行进一步扫描去除应力。待原位热处理完毕后，上位机自动调节激光器功率为80％，扫描速度为50mm/s，再次对打印层进行激光束12照射，在打印层原位完成高温固化和结晶化处理。如此循环电喷射打印、激光原位复合处理等步骤。打印层每层厚度约1μm，按规定高度打印一定的层数后，在原位直接打印制造成型所需的形状的功能化结构。
一种激光辅助电喷射原位打印制造方法，利用“功能材料墨水”在电场力、重力、表面张力、粘滞力等共同作用下，喷射出纳米级的精细射流，通过按预定轨迹运动打印基底，可以打印出所需形状微结构。同时，采用激光器激光束照射打印层，仅仅对打印层原位高温热处理去除有机溶剂，并原位固化和结晶化处理，以实现“墨水”原位功能化打印制造。该方法借助电喷射打印高分辨率的优势，直接在基体上原位打印制造出所需的微纳米级尺度的功能化结构，消除了传统方法转印、粘贴、拼接等二次定位误差难题，避免了胶粘工艺引发的结合力弱问题，既可以保证打印微纳结构的精确性，又实现了功能材料的原位功能化，避免了移位热处理工艺步骤，本发明提高了结构的尺寸精度和结合强度，进而提高了器件的灵敏度和稳定性。

Claims (6)

1.一种激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，首先对“功能材料墨水”施加稳定的压力，使其从精密喷针口流出，并对“功能材料墨水”施加一定的电场，以形成稳定的精细射流，直接喷射打印在基底上形成打印层；然后，按预定轨迹运动基底以打印成型所需形状微结构；最后，利用激光的热效应对打印层复合处理，同步实现打印结构的固化、结晶，在原位实现打印微结构功能化；
该方法是基于激光辅助电喷射原位打印制造装置实现的，包括电喷射打印模块和激光功能化处理模块；
所述的电喷射打印模块包括PC上位机(1)、CCD相机(2)、高压电源(3)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、导管(6)、喷针(7)和运动平台(9)；精密注射器(5)安装在微量注射泵(4)上，内部装有“功能材料墨水”，微量注射泵(4)的推柄推动精密注射器(5)按一定的流量精准的进给；喷针(7)通过导管(6)与精密注射器(5)相连接，“功能材料墨水”流至喷针(7)口处；高压电源(3)正极输出端与喷针(7)相连，负极与打印平板(14)相连接，在喷针(7)和打印平板(14)之间形成稳定电场；“功能材料墨水”在微量注射泵(4)的推动下从喷针(7)流出，同时，在电场的作用下，在喷针(7)口处形成稳定的泰勒锥(10)，并喷射出稳定的精细射流(11)在基底上形成打印层；X/Y轴组合形成各种运动路径，Z轴调节喷针(7)和打印平板(14)之间的高度，以满足各种打印需求；PC上位机(1)通过USB接口控制CCD相机(2)，CCD相机(2)检测打印区域内的泰勒锥(10)的稳定性以及打印层的打印路径；
所述的激光功能化处理模块包括激光能量器(8)；PC上位机(1)控制激光能量器(8)的功率、扫描速度、光斑以及频率；激光能量器(8)的照射探头与喷针(7)共同固定在运动平台(9)的Z轴上，保证其激光束扫描轨迹与打印轨迹重复；
采用上述装置进行电喷射原位打印制造的方法，步骤如下：
1)电喷射打印微观结构
高压电源(3)在喷针(7)和打印平板(14)之间施加电压，形成稳定电场，“功能材料墨水”在微量注射泵(4)的推动下，从精密注射器(5)通过导管(6)流至喷针(7)出口，在电场、重力场作用下，在喷针(7)口处形成稳定的泰勒锥(10)，并产生稳定的精细射流(11)打印在基底上；根据运动轨迹，通过PC上位机(1)控制运动平台(9)的运动不同轨迹，实现各种形状的驱动、传感及元件控制，在PC上位机(1)屏幕中监测CCD相机(2)视野内锥射流的打印情况；
2)激光原位功能化处理
电喷射打印一层液体后，PC上位机(1)自动启动激光能量器(8)并产生激光束(12)，利用激光热效应对打印层复合处理，激光束(12)照射到的区域瞬间产生高温，利用激光束(12)扫描照射打印层进行原位热处理去除应力；热处理完成后，上位机降低激光能量器(8)的扫描速度，增加扫描功率，再次对打印层进行扫描照射，在原位对打印层完成固化和结晶化处理；然后，循环进行电喷射原位打印、原位热处理、原位固化、原位结晶化处理；通过层层打印，层层激光扫描去除应力，层层固化和结晶化处理，最后在原位成型所需的形状的打印微结构(13)。
2.根据权利要求1所述的激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，所述的激光束(12)第一次扫描照射打印层时，调节激光能量器的功率为20％，扫描速度为120mm/s，光斑大小为0.2mm，再次扫描照射打印层时，其激光器功率为35％，其他参数不变，实现原位高温去除应力；第三次扫描照射时，激光器功率为80％，扫描速度为50mm/s，在打印层原位完成结晶化处理。
3.根据权利要求1或2所述的激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，所述的激光能量器(8)产生激光束(12)，照射到的区域瞬间产生20-1000℃的高温，根据不同的温度需求，调节不同光斑大小、扫描速度，扫描路径，利用激光的热效应完成对打印微结构(13)的复合处理。
4.根据权利要求3所述的激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，所述的激光能量器(8)的激光束(12)的光斑直径为2-20μm。
5.根据权利要求4所述的激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，所述的喷针(7)口的内径为150μm。
6.根据权利要求5所述的激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，所述的激光能量器(8)的激光总功率为10W，温度范围为20-1000℃。
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