CN110834474A - 一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及立体结构打印领域,特别涉及一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法。打印装置包括：EHD打印设备、红外激光器、微热板、平移台、高压脉冲信号发生装置，EHD打印设备包括：注射器和打印针。红外激光器用于向微热板的打印区域发射激光，加热照射区域；注射器用于向打印针注射打印墨水；打印针用于将打印墨水打印在打印区域；高压脉冲信号发生装置的两极分别与打印针及平移台相连，用于控制打印墨水的滴落。采用上述打印装置可大大缩短打印时间，提高了打印效率、打印精度和性能。

Description

一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法

技术领域

本发明涉及立体打印领域，尤其涉及一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法。

背景技术

电流体动力学(EHD)打印技术提供了对溶液材料直接图案化加工的极好方法。EHD打印技术是在喷嘴尖端和基板之间施加高压电场，使喷嘴尖端的液面在电场力的作用下发生变形，沿着电场的方向被拉长，被拉长的液滴均匀喷射在基板上，并且可打印出远小于喷嘴直径的图案。在实际操作中，一般采用热板后烘等方式对打印在基板上的纳米材料溶液烘干固化成形，但这样不仅使得加工周期很长，而且由于溶液的咖啡环效应使得固化后的材料具有不均匀性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置及方法。包括：EHD打印设备、红外激光器、微热板、平移台、高压脉冲信号发生装置，所述EHD打印设备包括：注射器和打印针，所述红外激光器用于向所述微热板的打印区域发射激光，加热照射区域，所述注射器用于向所述打印针注射打印墨水，所述打印针用于将所述打印墨水打印在所述打印区域，所述高压脉冲信号发生装置的两极分别与所述打印针及所述平移台相连，所述高压脉冲信号发生装置用于控制所述打印墨水的滴落。

本发明的有益效果是：由于利用了微热板的悬空结构及其表面金属电极受激光照射迅速升温,采用红外激光器对打印区域进行原位加热，可迅速汽化打印墨水中的溶剂，使打印过程中墨水固化时间大大缩短，提高了打印效率；墨水迅速固化可以避免纳米材料不均匀沉积；在同一打印点重复多次打印后加热，可以制备出直径很小但有一定厚度的柱形等立体结构，提高了打印精度和性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进，所述EHD打印设备还包括：可调焦摄像头，所述可调焦摄像头用于观察所述打印区域。

采用上述进一步方案的有益效果是通过可调焦摄像头便于实时观察打印情况，可以更为精准的确定打印位置。

进一步，所述打印装置还包括：滤光片，所述滤光片设置于所述可调焦摄像头与所述微热板之间，所述滤光片用于减少进入所述可调焦摄像头的激光。

采用上述进一步方案的有益效果是通过滤光片的过滤可以有效减小红外激光器在工作时对摄像头的干扰和损伤。

进一步，所述打印装置还包括：导电基板，所述导电基板固定在所述平移台上用于形成高压电场。

采用上述进一步方案的有益效果是高压脉冲信号发生装置在导电基板与打印针之间的空间区域形成高压电场，通过控制高压电场的形成与消失，实现打印过程的开始和结束。

进一步，所述打印装置还包括：玻璃衬片，所述玻璃衬片安装在所述导电基板及所述微热板之间。

采用上述进一步方案的有益效果是避免微热板与导电基板直接接触，进而避免高压脉冲对微热板产生直接且很具冲击性的破坏。

进一步，所述微热板的材料依次包括：绝缘介质薄膜，薄膜电阻，钝化层薄膜，金属电极，其中所述金属电极的外表面作为所述打印区域。

采用上述进一步方案的有益效果是将打印区域布局金属电极，可以在激光照射打印区域时，使金属电极迅速吸热升温，更快的加热打印墨水，加速墨水的固化，提高打印效率和打印精度。

进一步，还包括：连通装置，所述连通装置设置于所述打印针与所述注射器之间，所述连通装置用于将所述注射器中的墨水导通至所述打印针内。

采用上述进一步方案的有益效果是通过连通装置可以有效的影响打印针头处墨水受到的阻力。

进一步，所述微热板搭接在支撑膜上。

采用上述进一步方案的有益效果是可以使激光器以较小的功率和较快的热响应实现墨水内溶剂的汽化进而导致墨水迅速固化。

进一步，一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印系统，包括上述打印装置和终端，所述终端对所述打印装置进行控制。

采用上述进一步方案的有益效果是通过终端可以精准的控制打印设备的距离，角度，温度，滴落速度等，更为优质的完成立体打印。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印方法，包括以下步骤：

S1、注射器向打印针注射打印墨水；

S2、打印针将所述打印墨水打印在打印区域，并通过高压脉冲信号发生装置控制所述打印墨水的滴落；

S3、红外激光器向所述微热板的打印区域发射激光，加热照射区域。

采用上述进一步方案的有益效果是采用了红外激光器对打印区域进行原位加热，可迅速汽化打印墨水中的溶剂，使打印过程中墨水的固化时间大大缩短，提高了打印效率；墨水迅速固化可以避免纳米材料不均匀沉积；在同一打印点重复多次打印后加热，可以制备出直径很小但有一定厚度的柱形等立体结构，提高了打印精度和性能。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的流程示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、注射器，2、毛细管，3、打印针，4、高压脉冲信号发生装置，5、摄像头，6、滤光片，7、红外激光器，8、微热板，9、玻璃衬片，10、导电基板，11、平移台。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，图1为本发明的实施例提供的结构示意图，包括：EHD打印设备、红外激光器7、微热板8、平移台11、高压脉冲信号发生装置4，EHD打印设备包括：注射器1和打印针3，红外激光器7用于向微热板8的打印区域发射激光，加热打印区域，注射器1用于向打印针3注射打印墨水，打印针3用于将打印墨水打印在照射区域，高压脉冲信号发生装置4的两极分别与打印针3及平移台11相连，高压脉冲信号发生装置4用于控制打印墨水的开始和结束。

采用上述方案的有益效果是：由于采用了红外激光器7对打印区域进行原位加热，可迅速汽化打印墨水中的溶剂，使打印过程中墨水固化时间大大缩短，提高了打印效率；墨水迅速固化可以避免纳米材料不均匀沉积；在同一打印点重复多次打印后加热，可以制备出直径很小但有一定厚度的柱形等立体结构，提高了打印精度和性能。

需要注意的是，红外激光器7与为热板8需要配套使用，由于配套使用，现在打印出的结构直径可以控制在20μm，高可以达到15μm，红外激光器7在一次打印完成后对打印区域进行加热，当墨水固化后进行下一次打印，如此反复。在打印针头尖端和平移台之间施加高压电场，使打印针头尖端的液面在电场力的作用下发生变形，沿着电场的方向被拉长，被拉长的液滴均匀喷射在基板上，并且可打印出远小于喷嘴直径的图案。通过控制软件对高压脉冲信号发生装置进行电压控制，进而控制所产生的电场力，从而达到了控制墨水下落模式的目的。红外激光器7的波长为808nm，功率可调，角度可调，最小光斑直径为1mm。使用夹具固定红外激光器7，使激光以15°左右的入射角，5cm的距离，对准微热板8的中心打印区域，打印针3头采用聚四氟乙烯材质，可减弱红外激光器7对打印针3的针头的加热影响，避免激光加热时针头中溶剂受热汽化导致纳米材料沾附在针头内壁上，当含有纳米材料的墨水经EHD打印到微热板8金属电极上时，通过使用红外激光对金属电极进行加热，可以使墨水迅速升至高温，墨水中溶剂快速汽化，纳米材料迅速烘干固化，如此反复多次打印后激光加热，可以在很短时间内沉积一定厚度的纳米材料，从而形成预期的立体结构。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：可调焦摄像头5，可调焦摄像头5用于观察所述打印区域。

采用上述进一步方案的有益效果是通过可调焦摄像头5便于实时观察打印情况，可以更为精准的确定打印位置。

需要注意的是，摄像头5倾斜放置便于实时观察打印情况，且调焦过程通过程序进行控制。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：滤光片6，滤光片6设置于可调焦摄像头5与微热板8之间，滤光片6用于减少进入可调焦摄像头5的激光。

采用上述进一步方案的有益效果是通过滤光片6的过滤可以有效减小红外激光器7在工作时对摄像头5的损伤。

需要注意的是，滤光片6可安装于摄像头5上，也可由其他滤光装置替代。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：导电基板10，导电基板10固定在平移台11上用于形成高压电场。

采用上述进一步方案的有益效果是高压脉冲信号发生装置在导电基板与打印针之间的空间区域形成高压电场，通过控制高压电场的产生与消失，实现打印过程的开始和结束。

需要注意的是，红外激光器7需控制加热温度，防止温度过高而造成装置损坏。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：玻璃衬片9，玻璃衬片9安装在导电基板10及微热板8之间。

采用上述进一步方案的有益效果是避免微热板与导电基板直接接触，进而避免高压脉冲对微热板产生直接且很具冲击性的破坏。

需要注意的是，玻璃衬片9的厚度不宜过高，会影响高压电场。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：微热板8的材料依次包括：缘介质薄膜，薄膜电阻，钝化层薄膜，金属电极，金属电极的外表面作为打印区域。

采用上述进一步方案的有益效果是将打印区域布局金属电极，可以使在激光照射打印区域时，使金属电极迅速吸热升温，更快的加热打印墨水，提高打印效率。

需要注意的是，微热板8由绝缘介质支撑膜及镶嵌其中的薄膜电阻和金属电极组成的微纳器件，微热板8是采用CMOS兼容工艺制备出的，所用材料可以为钨,铝,白金,金等金属。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：连通装置，连通装置设置于打印针3与注射器1之间，连通装置用于将所射泵中的墨水导通至打印针3内。

采用上述进一步方案的有益效果是通过连通装置可以有效的影响打印针3的针头出墨水受到的阻力。

需要注意的是，连通装置可以为毛细管2也可以为普通细导管。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：微热板8搭接在支撑膜上。

采用上述进一步方案的有益效果是可以使激光器以较小的功率和较快的热响应实现墨水溶剂的汽化。

需要注意的是，微热板的结构可以为四臂X型结构，也可以为其他结构，打印区域位于悬空搭接区域的中心，悬空区域尺寸为300×300μm²，悬空区域的中心为EHD打印区域，尺寸为100×100μm²，厚度约6μm。

图2为本发明的实施例提供的流程示意图，该方法包括：

S1、注射器1向打印针3注射打印墨水；

需要注意的是，墨水为配置好的纳米材料墨水。

S2、打印针3将所述打印墨水打印在所述打印区域，并通过高压脉冲信号发生装置4控制所述打印墨水的滴落；

需要注意的是，墨水推动的速度通过控制软件进行实时控制，同时控制软件可以控制高压脉冲信号发生装置4进而控制电场。

S3、红外激光器7向所述微热板8的打印区域发射激光，加热照射区域；

需要注意的是，通过程序控制红外激光器7的角度及距离，更加精准的确保激光照射在微热板8打印区域的光斑集中的情况，微热板8放置于玻璃衬片9上。

具体操作流程为：首先进行系统调试操作，将待打印的微热板8放置在玻璃衬片9上，然后放在打印针3的针头下的平移台11上，使微热板8打印区域与打印针3垂直对准。调节摄像头5位置并调焦，确保摄像头可以清晰的观察到打印针3和微热板8的打印区域。启动红外激光器7，功率调至最小，在确保激光照射在微热板8的打印区域的光斑较集中的情况，调整红外激光器7的入射角度和位置，使激光入射角度尽可能小，位置尽可能靠近微热板8，如此可提高红外激光的加热效率。将配置的纳米材料墨水溶液注入注射器1，打开终端的控制软件，通过摄像头5观察和微小调整平移台11，使打印针3准确对准微热板8的打印区域，启动高压脉冲信号发生装置4，慢速推动注射器1，开始打印。待打印墨水刚布满微热板8的打印区域后，关闭高压脉冲信号发生装置4，垂直升高打印针3，启动红外激光器7，功率调至合适大小，保持一段时间后功率调为0。需要强调的是，红外激光器7仅在墨水滴落后对打印区域也就是墨水进行加热，使得墨水快速固化，当墨水固化后关闭红外激光器7，再次进行墨水的滴落，如此重复，直至在微热板8的打印区域上打印出预期的纳米材料立体结构。

采用上述进一步方案的有益效果是采用了红外激光器对打印区域进行原位加热，可迅速汽化打印墨水中的溶剂，使打印过程中墨水固化时间大大缩短，提高了打印效率；墨水迅速固化可以避免纳米材料不均匀沉积；在同一打印点重复多次打印后加热，可以制备出直径很小但有一定厚度的柱形等立体结构，提高了打印精度和性能。

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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，包括：EHD打印设备、红外激光器、微热板、平移台、高压脉冲信号发生装置，所述EHD打印设备包括：注射器和打印针，所述红外激光器用于向所述微热板的打印区域发射激光，加热照射区域，所述注射器用于向所述打印针注射打印墨水，所述打印针用于将所述打印墨水打印在打印区域，所述高压脉冲信号发生装置的两极分别与所述打印针及所述平移台相连，所述高压脉冲信号发生装置用于控制所述打印墨水的滴落。

2.根据权利要求1所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，所述EHD打印设备还包括：可调焦摄像头，所述可调焦摄像头用于观察所述打印区域。

3.根据权利要求2所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，还包括：滤光片，所述滤光片设置于所述可调焦摄像头与所述微热板之间，所述滤光片用于减少进入所述可调焦摄像头的激光。

4.根据权利要求1所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，还包括：导电基板，所述导电基板固定在所述平移台上用于形成高压电场。

5.根据权利要求4所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，还包括：玻璃衬片，所述玻璃衬片安装在所述导电基板及所述微热板之间。

6.根据权利要求1所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，所述微热板的材料依次包括：绝缘介质薄膜，薄膜电阻，钝化层薄膜，金属电极，其中所述金属电极的外表面作为所述打印区域。

7.根据权利要求1所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，还包括：连通装置，所述连通装置设置于所述打印针与所述注射器之间，所述连通装置用于将所述注射器中的墨水导通至所述打印针内。

8.根据权利要求1-7任意一项的所述的微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印装置，其特征在于，所述微热板为搭接在支撑膜上。

9.一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印系统，其特征在于，包含如权利要求1-8任一项所述的打印装置和终端，所述终端对所述打印装置进行控制。

10.一种微热板上滴涂纳米材料立体结构的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、注射器向打印针注射打印墨水；

S2、打印针将所述打印墨水打印在打印区域，并通过高压脉冲信号发生装置控制所述打印墨水的滴落；

S3、红外激光器向所述微热板的打印区域发射激光，加热照射区域。