CN110666169A - 一种多材料激光诱导向前转移3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置及方法，该装置包括计算机控制系统、激光器、扩束镜、光阑、CCD相机、二向色镜、聚焦透镜、Z轴竖直移动平台、底座，W轴竖直移动平台、C轴旋转平台、UV轴中空水平移动平台、材料基片、接收基片、空气吸盘和XY轴水平移动平台；打印方法包括源膜制备、工件安装和多材料3D打印。本发明装置简单易操作，可以实现多材料的高精度3D打印，是一种灵活、高效、稳定的激光3D打印技术。

Description

一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及一种多材料打印的激光加工技术，特别涉及一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置及方法，通过激光诱导转移预先制备好的源膜，使部分源膜从材料基片转移到接收基片上，从而实现多材料的3D打印，属于激光应用及印刷电子技术领域。
背景技术
目前，在精密印刷领域主要采用的是光刻印刷、丝网印刷和喷墨打印技术。光刻印刷虽然精度高，适用于大批量生产，但是需要高精度的掩模版，小批量生产时成本高，且不能根据市场需求做出灵活调整；丝网印刷同样需要掩膜版，尺寸相对较大；喷墨打印可以通过移动喷嘴控制墨滴的准确位置来快速实现大面积复杂图案的直写加工，操作简单，成本低廉，但是由于喷嘴直径的限制，无法实现高精度的打印，也无法实现高粘度材料和固体材料的直写加工。
激光诱导向前转移技术(LIFT)是近年来发展起来的一种激光打印技术，具有适应性强、加工精度高、成本低廉、绿色环保、适用范围广等诸多优点。激光诱导向前转移相比光刻印刷和丝网印刷，无需制备掩模版，同时可以节约材料降低污染；相比喷墨打印，可以扩大可选用的材料范围，并能实现微米量级的加工精度，同时不会由于喷嘴的堵塞而影响实际的使用。现有的激光诱导向前转移技术已经实现了如金、银、铜等不同材料的加工，制备出线宽在5μm左右的直线，但是目前研究主要集中在如何保证单一材料打印连续图案时的均匀性，没有考虑到多材料的打印，从而限制了激光诱导向前转移技术的推广应用。
针对该问题，本发明涉及一种多材料打印的激光加工技术，特别涉及一种激光诱导向前转移来实现多材料3D打印的装置及方法。本发明公开的方法简单快捷，无需重复装夹，可以实现多种固体和液体材料的3D打印和固化，节约温度处理所需的冗长时间。该方法在微电子器件、微传感器甚至生物打印等领域有着很好的应用前景。
发明内容
针对现有的激光诱导向前转移装置和方法的缺陷，本发明提供了一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置及方法，可以实现打印过程的精确定位和控制，同时实现多种材料的3D打印，减少加工时间和步骤。
本发明的一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置，包括计算机控制系统1、激光器2、扩束镜3、光阑4、CCD相机5、二向色镜6、聚焦透镜7、Z轴竖直移动平台8、底座9，W轴竖直移动平台10、C轴旋转平台11、UV轴中空水平移动平台12、材料基片13、接收基片14、空气吸盘15、XY轴水平移动平台16；所述计算机控制系统1控制激光器2发出光束，经过扩束镜3、光阑4、二向色镜6和聚焦透镜7实现激光光斑的聚焦；所述CCD相机5用于观察激光聚焦光斑，便于寻找焦点；所述Z轴竖直移动平台8控制聚焦透镜7竖直移动，实现激光光斑聚焦；所述材料基片13安装在UV轴中空水平移动平台12上，实现水平移动；所述W轴竖直移动平台10实现材料基片13竖直移动；所述C轴旋转平台11用于旋转材料基片13，便于装夹；所述接收基片14安装在XY轴水平移动平台16上，实现水平移动；所述计算机控制系统1通过运动控制器实现多个运动平台的移动。
本发明的一种多材料激光诱导向前转移3D打印方法，包括如下步骤：
步骤1：源膜制备，将油墨或者高粘度浆体材料通过旋涂或者刮涂的方式在透明材料表面制备一层5-50μm厚的液体源膜作为材料基片13；将固体金属通过磁控溅射的方式在透明材料表面制备一层40nm-5μm厚的固体源膜作为材料基片13；
步骤2：工件安装，将接收基片14通过空气吸盘15安装在XY轴水平移动平台16上；将多个涂覆不同源膜的材料基片13通过压片固定在UV轴中空水平移动平台12上，C轴旋转平台11旋转180°使源膜面朝接收基片14；通过W轴竖直移动平台10调整材料基片13和接收基片14之间的距离为50μm-1mm；
步骤3：多材料3D打印，计算机控制系统1借助CCD相机5控制Z轴竖直移动平台8调整激光束聚焦于材料基片13上的源膜；向计算机控制系统1输入运动控制程序，控制运动平台和激光器的工作；激光器按照运动程序和混合材料的要求扫描多个材料基片13上的源膜，照射部位吸收能量形成气泡推动未气化的材料冲向接收基片14；一层材料打印完成后，采用同一激光扫描，完成多材料的固化烧结；W轴竖直移动平台10升高一截面层的高度，进行下一层的打印和固化烧结，如此循环，最终形成所需立体结构。
可选的，所述油墨和高粘度浆体材料为导电银墨水、铜墨水、碳系墨水、银浆、铜浆等；
可选的，所述固体金属为铜、银、钛、镉、镍等，或上述金属的合金；
可选的，所述接收基片为硬质基底玻璃、陶瓷、石英、硅中的一种或柔性基底聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺中的一种；
优选的，所述激光器为皮秒激光器，输出波长为532nm，脉冲宽度为10ps；
优选的，步骤3中激光扫描速度范围为1-30mm/s，光斑直径5-30μm，激光诱导向前转移打印时的单脉冲能量范围为5-60μJ，脉冲频率的范围为500Hz-2kHz；激光固化烧结时的单脉冲能量范围为0.1-5μJ，脉冲频率的范围为20kHz-200kHz。
本发明的原理是：激光器发出的激光束聚焦到源膜表面，产生高温高压的等离子体气泡，在此推力作用下，部分材料喷射到接收基片上；多个材料基片可以同时安装在UV轴中空水平移动平台上，随着XY轴水平移动平台和UV轴中空水平移动平台的运动可以实现多材料的二维打印，随后改变激光参数进行固化烧结，一层打印完成后重复之前的打印和固化操作，
本发明与现有的激光诱导向前转移技术相比，只需一次装夹可以实现多种材料的转移，增加了激光固化的工序，可以实现多材料的3D打印，并且节约了温度处理所需的时间。发明装置简单易操作，调焦过程方便，是一种高效、稳定，高精度的激光3D打印技术。
附图说明
图1是本发明多材料激光诱导向前转移3D打印装置结构示意图。
附图标记：1.计算机控制系统，2.激光器，3.扩束镜，4.光阑，5.CCD相机，6.二向色镜，7.聚焦透镜，8.Z轴竖直移动平台，9.底座，10.W轴竖直移动平台，11.C轴旋转平台，12.UV轴中空水平移动平台，13.材料基片，14.接收基片，15.空气吸盘，16.XY轴水平移动平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实例只作为解释本发明，并不限定本发明。
实施例1：
步骤1：源膜制备，材料基片13采用75mm×25mm×1mm的普通钠钙玻璃作为透明材料，将铜浆刮涂在普通钠钙玻璃上制备一层厚度为30μm的铜膜作为材料基片13，将银浆刮涂在另一片普通钠钙玻璃上制备一层厚度为30μm的银膜作为材料基片13；
步骤2：工件安装，接收基片14采用20mm×20mm×1mm的石英玻璃，将接收基片14通过空气吸盘15安装在XY轴水平移动平16上；将涂覆铜浆和银浆的材料基片13分别通过压片固定在UV轴中空水平移动平台12上，C轴旋转平台11旋转180°使源膜面朝接收基片14；通过W轴竖直移动平台10调整材料基片13和接收基片14之间的距离为100μm；
步骤3：多材料3D打印，计算机控制系统1借助CCD相机5控制Z轴竖直移动平台8调整激光束聚焦于材料基片13上的源膜；向计算机控制系统1输入运动控制程序，控制运动平台和激光器的工作；使涂有铜浆的材料基片13处于激光光束下，在设定的转移激光参数下先转移第一层铜浆，然后移动UV轴中空水平移动平台12使涂有银浆的材料基片13处于激光光束下，转移第一层银浆；一层材料打印完成后，激光移动至UV轴中空水平移动平台12的孔洞处，在设定的固化烧结参数下采用同一激光扫描进行第一层多材料的固化烧结；随后将W轴竖直移动平台10向上移动4μm，保证材料基片13和接收基片14之间的间隔为100μm，重复之前的步骤，按照程序进行逐层打印，最终实现铜浆和银浆的多材料3D打印。
选择激光诱导转移3D打印的加工工艺参数如下：
光斑直径：10μm
转移时单脉冲能量：25μJ
转移时脉冲频率：1kHz
转移时扫描速度：25mm/s
烧结时单脉冲能量：0.2μJ
烧结时脉冲频率：50kHz
烧结时扫描速度：5mm/s
实施例2：
步骤1：源膜制备，材料基片13采用75mm×25mm×1mm的普通钠钙玻璃作为透明材料，采用磁控溅射在普通钠钙玻璃上制备一层厚度为10μm的固体银膜作为材料基片13，采用磁控溅射在另一片普通钠钙玻璃上制备一层厚度为10μm的固体铜膜作为材料基片13；
步骤2：工件安装，接收基片14采用20mm×20mm×70μm的聚酰亚胺，将接收基片14通过空气吸盘15安装在XY轴水平移动平16上；将镀有固体银膜和铜膜的材料基片13分别通过压片固定在UV轴中空水平移动平台12上，C轴旋转平台11旋转180°使源膜面朝接收基片14；通过W轴竖直移动平台10调整材料基片13和接收基片14之间的距离为200μm；
步骤3：多材料3D打印，计算机控制系统1借助CCD相机5控制Z轴竖直移动平台8调整激光束聚焦于材料基片13上的源膜；向计算机控制系统1输入运动控制程序，控制运动平台和激光器的工作；使涂有固体银膜的材料基片13处于激光光束下，在设定的转移激光参数下先转移第一层固体银，然后移动UV轴中空水平移动平台12使涂有固体铜膜的材料基片13处于激光光束下，转移第一层固体铜；一层材料打印完成后，激光移动至UV轴中空水平移动平台12的孔洞处，在设定的固化烧结参数下采用同一激光扫描进行第一层多材料的固化烧结；将W轴竖直移动平台10向上移动1μm，保证材料基片13和接收基片14之间的间隔为200μm，重复之前的步骤，按照程序进行逐层打印，最终实现固体银和铜的多材料3D打印。
选择激光诱导转移3D打印的加工工艺参数如下：
光斑直径：15μm
转移时单脉冲能量：20μJ
转移时脉冲频率：1kHz
转移时扫描速度：25mm/s
烧结时单脉冲能量：1μJ
烧结时脉冲频率：200kHz
烧结时扫描速度：10mm/s

Claims (5)

1.一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置，其特征在于：包括计算机控制系统(1)、激光器(2)、扩束镜(3)、光阑(4)、CCD相机(5)、二向色镜(6)、聚焦透镜(7)、Z轴竖直移动平台(8)、底座(9)，W轴竖直移动平台(10)、C轴旋转平台(11)、UV轴中空水平移动平台(12)、材料基片(13)、接收基片(14)、空气吸盘(15)、XY轴水平移动平台(16)；所述计算机控制系统(1)控制激光器(2)发出光束，经过扩束镜(3)、光阑(4)、二向色镜(6)和聚焦透镜(7)实现激光光斑的聚焦；所述CCD相机(5)用于观察激光聚焦光斑，便于寻找焦点；所述Z轴竖直移动平台(8)控制聚焦透镜(7)竖直移动，实现激光光斑聚焦；所述材料基片(13)安装在UV轴中空水平移动平台(12)上，实现水平移动；所述W轴竖直移动平台(10)实现材料基片(13)竖直移动；所述C轴旋转平台(11)用于旋转材料基片(13)，便于装夹；所述接收基片(14)安装在XY轴水平移动平台(16)上，实现水平移动；所述计算机控制系统(1)通过运动控制器实现多个运动平台的移动。
2.一种多材料激光诱导向前转移3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：源膜制备，将油墨或者高粘度浆体材料通过旋涂或者刮涂的方式在透明材料表面制备一层5-50μm厚的液体源膜作为材料基片(13)；将固体金属通过磁控溅射的方式在透明材料表面制备一层40nm-5μm厚的固体源膜作为材料基片(13)；
步骤(2)：工件安装，将接收基片(14)通过空气吸盘(15)安装在XY轴水平移动平台(16)上；将多个涂覆不同源膜的材料基片(13)通过压片固定在UV轴中空水平移动平台(12)上，C轴旋转平台(11)旋转180°使源膜面朝接收基片(14)；通过W轴竖直移动平台(10)调整材料基片(13)和接收基片(14)之间的距离为50μm-1mm；
步骤(3)：多材料3D打印，计算机控制系统(1)借助CCD相机(5)控制Z轴竖直移动平台(8)调整激光束聚焦于材料基片(13)上的源膜；向计算机控制系统(1)输入运动控制程序，控制运动平台和激光器的工作；激光器按照运动程序和混合材料的要求扫描多个材料基片(13)上的源膜，照射部位吸收能量形成气泡推动未气化的材料冲向接收基片(14)；一层材料打印完成后，采用同一激光扫描，完成多材料的固化烧结；W轴竖直移动平台(10)升高一截面层的高度，进行下一层的打印和固化烧结，如此循环，最终形成所需立体结构。
3.根据权力要求2所述的多材料激光诱导向前转移3D打印方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述油墨和高粘度浆体材料为导电银墨水、铜墨水、碳系墨水、银浆、铜浆等；所述固体金属为铜、银、钛、镉、镍等，或上述金属的合金。
4.根据权力要求2所述的多材料激光诱导向前转移3D打印方法，其特征在于：所述步骤(2)中接收基片为硬质基底玻璃、陶瓷、石英、硅中的一种或柔性基底聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺中的一种。
5.根据权力要求2所述的多材料激光诱导向前转移3D打印方法，其特征在于：所述步骤(3)中激光器为皮秒激光器，输出波长为532nm，脉冲宽度为10ps；激光扫描速度范围为1-30mm/s，光斑直径5-30μm，激光诱导向前转移打印时的单脉冲能量范围为5-60μJ，脉冲频率的范围为500Hz-2kHz；激光固化烧结时的单脉冲能量范围为0.1-5μJ，脉冲频率的范围为20-200kHz。
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