CN111098385A - 一种基于激光控热溶液法3d打印的晶体生长系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料工程领域和3D打印技术领域，具体为一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统与方法，包括气体保护箱、工作台、设置于工作台两侧的工作台导轨、打印喷头、X向导轨、激光器、Y向导轨、驱动装置和控制中心，所述工作台导轨驱动所述工作台沿着Z轴方向移动；所述打印喷头、激光器的顶部固定于所述X、Y向导轨上通过所述X、Y向导轨驱动其沿着X向和Y向移动；所述工作台导轨、X向导轨、Y向导轨分别与驱动装置信号连接，所述打印喷头、驱动装置、激光器分别与控制中心信号连接。本发明通过激光控热对钙钛矿材料的过饱和溶液进行冷却，降低其溶解度从而使晶体快速析出，从而使钙钛矿晶体成型更迅速、形貌更均匀、结构更稳定。

Description

一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统与方法
技术领域
本发明涉及材料工程领域和3D打印技术领域，具体为一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统与方法。
背景技术
随着工业化进程的不断推进，以及各行业对产品制造加工的精度要求及个性化要求的不断提高，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险已成为企业赖以生存的关键，因而也相继涌现出大量的先进制造理念及制造技术，其中最典型的便是20世纪80年代末、90年代初发展起来的3D打印技术。3D打印技术是快速成型技术的一种，它突破了传统的加工模式，不需要机械加工设备即可快速的制造形状极为复杂的工件，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，它综合了机械、电子、光学、材料等学科，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
激光3D打印技术是指在3D打印技术的基础上，采用激光能量作为材料结合能的方式进行打印的激光快速成型技术。目前的激光3D打印技术主要包括以下几种类型：
（1）立体光造型技术：以液态光聚合光敏树脂（聚丙烯酸酯，聚环氧基等）为原料，紫外激光在计算机控制下按零件的各分层截面信息，在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；
（2）选择性激光烧结技术：激光束在计算机控制下，以一定的扫描速度和能量在选定的扫描轨迹上作用于粉末材料（尼龙、塑料、金属、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物），有选择地熔化粉末，使粉末黏结固化而形成一个层面；
（3）激光熔覆成形技术：用计算机生成待制作零件的CAD模型，对该CAD模型进行切片处理，并且生成每一层的扫描轨迹，通过数控工作台的运动实现激光熔覆。被熔覆的粉末通过送粉装置用气体输送，逐层叠加熔覆粉末，最终成型出所需形状的零件；
（4）激光近形制造技术：激光近形制造技术将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型技术结合了起来，金属粉末通过送粉装置送入激光辐射形成的熔池中，激光将金属粉末加热熔化并与基体形成冶金结合。
传统激光3D打印技术主要在固体、金属粉末等材料方面应用广泛，例如选择性激光烧结技术、激光熔覆成形技术以及激光近形制造技术等都是用于粉末材料的打印；而在液体材料方面，除了能对特定的液态树脂固化成型以及熔融材料凝结成型之外，并不能对其它液体材料进行有效打印。另一方面，在现有技术的钙钛矿晶体制备方法中，两步旋涂法可以制得形貌均匀的薄膜，但是其他方法，如一步旋涂法制备的薄膜形貌难以控制，最终的器件效率参差不齐，重复率低；分布浸液法只能制备约200nm厚的纯晶相钙钛矿薄膜；气相沉积法需要对薄膜的成分与真空环境进行非常精确的控制，难以掌握。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统与方法，以达到通过激光控热对钙钛矿材料的过饱和溶液进行冷却，降低其溶解度从而使晶体快速析出，从而使钙钛矿晶体成型更迅速、形貌更均匀、结构更稳定。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于激光控热溶液法的D打印系统，包括气体保护箱、设置于所述气体保护箱内的工作台、设置于工作台两侧的工作台导轨、打印喷头、X向导轨、激光器、Y向导轨、驱动装置和控制中心，所述工作台导轨沿Z轴设置用于驱动所述工作台沿着Z轴方向移动；所述打印喷头和激光器设置于所述工作台的上方，所述打印喷头、激光器的顶部固定于所述X向导轨与Y向导轨上通过所述X向导轨和Y向导轨驱动其沿着X向和Y向移动；所述工作台导轨、X向导轨、Y向导轨分别与驱动装置信号连接，所述打印喷头、驱动装置、激光器分别与控制中心信号连接。
所述X向导轨包括X向喷头导轨、X向激光器导轨，所述打印喷头的顶部固定于所述X向喷头导轨与Y向导轨的交接处通过所述X向喷头导轨和Y向导轨驱动其沿着X向和Y向移动；所述激光器的顶部固定于所述X向激光器导轨与Y向导轨的交接处通过所述X向激光器导轨和Y向导轨驱动其沿着X向和Y向移动。
所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置与所述工作台导轨相连用于驱动所述工作台导轨运动；所述第二驱动装置分别与X向导轨、Y向导轨相连用于驱动所述X、Y向导轨运动。
所述驱动装置为两相混合式步进电机。
所述激光器为光纤激光器。
本发明公开了一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将气体保护箱抽气至真空状态，然后充入氮气或惰性气体，在工作台上加载当前层原材料过饱和溶液并加热至30~35℃；
步骤S2：激光器在控制中心的作用下对待打印材料进行定位，并提供皮秒激光对待加工区域进行打印；
步骤S3：打印喷头对打印层进行补料，并进行下一层的打印。
所述步骤S1中所述原材料过饱和溶液为钙钛矿材料的前驱体溶液。
所述步骤S2中所述激光器提供皮秒激光对待打印区域进行温度控制，所述的激光器温度控制范围为15~25℃。
所述步骤S3中打印层每层厚度为100~150mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用激光对溶液进行温度控制的方法，达到3D打印的效果从而生长出钙钛矿晶体，是一种对溶液进行加工从而实现其层状堆积成型的方法，同时也是钙钛矿晶体生长的一种新型技术；
2.本发明在使用激光对溶液进行温度控制的过程中，可加快溶液薄层的蒸发速度，从而使晶体的生长过程更快，获得的晶体形貌更均匀。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的打印方法流程图。
图中：1-气体保护箱，2-工作台，3-工作台导轨，4-打印喷头，51-X向喷头导轨，52-X向激光器导轨，6-激光器，7-Y向导轨，8-驱动装置，81-第一驱动装置，82-第二驱动装置，9-控制中心，10-原材料待加工区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，包括气体保护箱1、设置于所述气体保护箱1内的工作台2、设置于工作台2两侧的工作台导轨3、打印喷头4、X向导轨5、激光器6、Y向导轨7、驱动装置8和控制中心9，所述工作台导轨3沿Z轴设置用于驱动所述工作台2沿着Z轴方向移动；所述打印喷头4和激光器6设置于所述工作台2的上方，所述打印喷头4、激光器6的顶部固定于所述X向导轨5与Y向导轨7上通过所述X向导轨5和Y向导轨7驱动其沿着X向和Y向移动；所述工作台导轨3、X向导轨5、Y向导轨7分别与驱动装置8信号连接，所述打印喷头4、驱动装置8、激光器6分别与控制中心9信号连接，驱动装置8依靠两相混合式步进电机提供动力以实现工作台2、打印喷头4和激光器6分别在其导轨上的移动；工作台导轨3沿z轴布置，约束工作台2只能进行上下移动；打印喷头4、激光器6可沿x向导轨5和y向导轨7移动实现导轨平面内任一区域的移动。
所述X向导轨5包括X向喷头导轨51、X向激光器导轨52，所述打印喷头4的顶部固定于所述X向喷头导轨51与Y向导轨7的交接处通过所述X向喷头导轨51和Y向导轨7驱动其沿着X向和Y向移动；所述激光器6的顶部固定于所述X向激光器导轨52与Y向导轨7的交接处通过所述X向激光器导轨52和Y向导轨7驱动其沿着X向和Y向移动，使得打印喷头4和激光器6能够在导轨平面内任意区域移动，便于更好的进行打印。
所述驱动装置8包括第一驱动装置81和第二驱动装置82，所述第一驱动装置81与所述工作台导轨3相连用于驱动所述工作台导轨3运动；所述第二驱动装置82分别与X向导轨5、Y向导轨7相连用于驱动所述X、Y向导轨运动。
所述驱动装置8为两相混合式步进电机。
所述激光器6为光纤激光器。
本发明公开了一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将气体保护箱1抽气至真空状态，然后充入氮气或惰性气体，在工作台2上加载当前层原材料过饱和溶液并加热至30~35℃；
步骤S2：激光器6在控制中心9的作用下对待打印材料进行定位，并提供皮秒激光对待加工区域10进行打印，本实施例中激光器6为光纤激光器打印过程是利用激光对溶液薄层进行温度控制并使其溶解度降低从而析出晶体的过程；优选的，温度控制范围为15~25℃，可加快溶液薄层的蒸发速度，从而使晶体的生长过程更快，获得的晶体形貌更均匀；
步骤S3：打印喷头4对打印层进行补料，并进行下一层的打印；每层晶体薄膜的厚度为100~150nm，此过程一直重复至晶体层厚度达到2mm以上为止。
所述步骤S1中所述原材料过饱和溶液为钙钛矿材料的前驱体溶液。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，其特征在于：包括气体保护箱（1）、设置于所述气体保护箱（1）内的工作台（2）、设置于工作台（2）两侧的工作台导轨（3）、打印喷头（4）、X向导轨（5）、激光器（6）、Y向导轨（7）、驱动装置（8）和控制中心（9），
所述工作台导轨（3）沿Z轴方向设置用于驱动所述工作台（2）沿着Z轴方向移动；所述打印喷头（4）和激光器（6）设置于所述工作台（2）的上方，所述打印喷头（4）、激光器（6）的顶部固定于所述X向导轨（5）与Y向导轨（7）上通过所述X向导轨（5）和Y向导轨（7）驱动其沿着X向和Y向移动；
所述工作台导轨（3）、X向导轨（5）、Y向导轨（7）分别与驱动装置（8）信号连接，所述打印喷头（4）、驱动装置（8）、激光器（6）分别与控制中心（9）信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，其特征在于：所述X向导轨（5）包括X向喷头导轨（51）、X向激光器导轨（52），所述打印喷头（4）的顶部固定于所述X向喷头导轨（51）与Y向导轨（7）的交接处通过所述X向喷头导轨（51）和Y向导轨（7）驱动其沿着X向和Y向移动；所述激光器（6）的顶部固定于所述X向激光器导轨（52）与Y向导轨（7）的交接处通过所述X向激光器导轨（52）和Y向导轨（7）驱动其沿着X向和Y向移动。
3.根据权利要求2所述一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，其特征在于：所述驱动装置（8）包括第一驱动装置（81）和第二驱动装置（82），所述第一驱动装置（81）与所述工作台导轨（8）相连用于驱动所述工作台导轨（3）运动；所述第二驱动装置（82）分别与X向导轨（5）、Y向导轨（7）相连用于驱动所述X、Y向导轨运动。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，其特征在于：所述驱动装置（8）为两相混合式步进电机。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统，其特征在于：所述激光器（6）为光纤激光器。
6.一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将气体保护箱（1）抽气至真空状态，然后充入氮气或惰性气体，在工作台（2）上加载当前层原材料过饱和溶液并加热至30~35℃；
步骤S2：激光器（6）在控制中心（9）的作用下对待打印材料进行定位，并提供皮秒激光对待加工区域（10）进行打印；
步骤S3：打印喷头（4）对打印层进行补料，并进行下一层的打印。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，其特征在于：所述步骤S1中所述原材料过饱和溶液为钙钛矿材料的前驱体溶液。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，其特征在于：所述步骤S2中所述激光器（6）提供皮秒激光对待打印区域进行温度控制，所述的激光器（6）温度控制范围为15~25℃。
9.根据权利要求6所述的一种基于激光控热溶液法3D打印的晶体生长系统的方法，其特征在于：所述步骤S3中打印层每层厚度为100~150mm。
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