CN112549526A - 一种多层芯壳结构打印头及采用其打印微型器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多层芯壳结构打印头，包括多个依次连接的基本单元，每一所述基本单元包括：第一中空部分(1)，其贯通设于基本单元的中心；第二中空部分(2)，其通过截面为对称梯形的结构(4)与第一中空部分(1)隔开，并设于结构(4)的外围；第三中空部分(3)，其设于第一中空部分(1)、第二中空部分(2)以及结构(4)的下部；其中，每一基本单元的第一中空部分(1)与上一基本单元的第三中空部分(3)对应连接。基于此打印头提出了一种一步成型打印微型器件的方法。利用该多层芯壳结构打印头可以一步成型制备微型器件结构，缩减微型器件打印的步骤，极大优化微型器件制备工艺，为微型器件快速制备提供一个新的方法与思路。

Description

一种多层芯壳结构打印头及采用其打印微型器件的方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种多层芯壳结构打印头及采用其一步成型打印微型器件的方法。
背景技术
随着电子设备朝着小型化、智能化方向发展，如何高效制备小型或微型的功能器件成为了急需解决的问题。近年来，3D打印技术由于具有可制备微米和纳米尺寸以及跨尺度器件的优势逐渐被用于小型或微型功能器件的加工与制备，同时具有成本低廉、流程简单等优势。将3D打印技术应用于微型功能器件的制备是解决小型或微型电子器件中高效地成本制备问题的一种有效途径，但现有技术中3D打印多材料功能器件面临着严重的困难和挑战，目前，3D打印多材料功能器件时只能利用多个喷头分步打印才能实现多材料的打印，其步骤繁琐、效率低，并且不能实现一体快速成型的目的，因此急需一种多材料一体成型3D打印微型功能器件的装置，以实现多材料功能器件的一步成型。
电子设备中，储能器件时电子设备的关键部件之一，在储能器件中，比如锂电池，目前3D打印储能器件的研究，其主要思路为选取合适的功能器件所需的材料，通过选取一定的黏度调节剂和导电剂与电极材料混合制备出特殊的粘性墨水，然后利用墨水直写等挤出式成型方式分别逐层打印储能器件，利用该方法实现电池的打印需要分多步分别选取不同材料分别对不同的结构进行打印，还需要更换不同材料的打印头，打印多层之间的界面结构很难控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本发明提供了一种多层芯壳结构打印头及采用其打印微型器件的方法，采用该多层芯壳结构打印头可以一步成型制备微型器件结构，缩减微型器件打印的步骤，极大优化微型器件制备工艺，为微型器件快速制备提供一个新的方法与思路。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供了一种多层芯壳结构打印头，包括多个依次连接的基本单元，每一基本单元包括：第一中空部分1，其贯通设于基本单元的中心；第二中空部分2，其通过截面为对称梯形的结构4与第一中空部分1隔开，并设于结构4的外围；第三中空部分3，其设于第一中空部分1、第二中空部分2以及结构4的下部；其中，每一基本单元的第一中空部分1与上一基本单元的第三中空部分3对应连接。
可选地，第一中空部分1为圆柱体或长方体。
可选地，第二中空部分2的第一表面201和第二表面202的截面为漏斗形。
可选地，第一表面201与第二表面202平行。
可选地，第二中空部分2包括一进料口203。
可选地，采用3D打印技术打印打印头。
第二方面，本发明提供了一种采用上述权利打印头打印微型器件的方法，方法包括：S1，根据待打印微型器件的尺寸设计并组装打印头，待打印微型器件包括N层结构，由内至外依次为第一层、第二层……、第N层，则打印头包括N-1个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元……、第N-1基本单元；S2，向第一基本单元的第一中空部分1注入制作所述第一层的材料，并向第一基本单元的第二中空部分2注入制作第二层的材料，以使在所述第一基本单元的第三中空部分3处形成内部为第一层外部为第二层的结构；S3，向第二基本单元的第二中空部分2注入制作所述第三层的材料，以使在第二基本单元的第三中空部分3处形成由内到外依次为第一层、第二层和第三层的结构；以此方式，向第m基本单元的第二中空部分2注入制作第m+1层的材料，以使在第m基本单元的第三中空部分3处形成m+1层结构，直至生成N层结构，m小于等于N-1。
可选地，待打印微型器件为电池，电池由内至外依次为正极5、隔膜层6、负极7以及包装层8，打印头包括三个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元以及第三基本单元。
可选地，正极5和负极7材料为磷酸铁锂粉末或石墨中的一种、科琴黑或石墨烯或碳纳米管中的一种或多种、羟乙基纤维素以及去离子水组成的混合物。
可选地，隔膜层6的材料为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和可溶性纤维素的混合物；包装层8的材料为聚二甲基硅氧烷与可溶性纤维素的混合物。
(三)有益效果
本发明提供了一种多层芯壳结构打印头及采用其打印微型器件的方法，采用该打印头，可以实现器件的一体打印，各层界面可以精确控制，缩短打印时间，简化打印步骤，打印效率极大提高。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的每一基本单元的结构图；
图2示意性示出了本公开实施例的具有三个基本单元的打印头的结构图；
图3示意性示出了本公开实施例的采用打印头打印微型器件的方法步骤图；
图4示意性示出了本公开实施例安装有本发明打印头的打印系统结构图；
图5示意性示出了本公开实施例采用打印头打印的电池的剖视图；
图6示意性示出了本公开实施例采用打印头打印的电池的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
第一方面，本发明提供了一种多层芯壳结构打印头，包括多个依次连接的基本单元，参见图1，每一所述基本单元包括：第一中空部分1，其贯通设于打印头的中心，且第一中空部分；第二中空部分2，其通过截面为梯形的梯形结构4与第一中空部分1隔开，并设于梯形结构4的外围；第三中空部分3，其设于第一中空部分1、第二中空部分2以及梯形结构4的下部；其中，每一基本单元的第一中空部分1与上一基本单元的第三中空部分3对应连接。以下将以该打印头具有三个依次连接的基本单元为例对该打印头的结构进行详细，但实际的应用中，打印头所具有的基本单元的数量根据待打印器件的层数确定，并不受本申请的限制。
本发明实施例中，该多层芯壳结构打印头包括三个基本单元(如图2所示)，分别为第一基本单元、第二基本单元以及第三基本单元，每一基本单元结构相似，均包括第一中空部分1、第二中空部分2以及第三中空部分3，参见图1，其中：
第一中空部分1，其贯通设于基本单元的中心；
具体的，第一中空部分1位于基本单元的中心，其镂空圆柱体、长方体等，具体结构根据待打印器件的结构确定，用于注入待打印器件中心部分的材料。
第二中空部分2，其通过截面为梯形的梯形结构4与第一中空部分1隔开，并设于梯形结构4的外围；
具体的，第二中空部分2设于第一中空部分1的外围，其与第一中空部分1通过一截面为两对称梯形的结构隔开，可知第二中空部分2的第一表面201和第二表面202的截面为漏斗形，且第一表面201与第二表面202平行，第二中空部分2包括一进料口203，用于注入待打印器件的另一种浆料。
第三中空部分3，其设于第一中空部分1、第二中空部分2以及结构4的下部；
第三中空部分3，其设于第一中空部分1、第二中空部分2以及结构4的下部，用于接收通过第一中空部分1和第二中空部分2后成型的结构。
其中，每一基本单元的第一中空部分1与上一基本单元的第三中空部分3对应连接。
具体的，本发明实施例中，第一基本单元的第三中空部分3与第二基本单元的第一中空部分1连接，第二基本单元的第三中空部分3与第三基本单元的第一中空部分1连接，第一基本单元的第三中空部分3处生成包含待打印器件中心部分两层材料的结构，而后该两层材料的结构注入第二基本单元的第一中空部分1，第二基本单元的第二中空部分2注入包裹在该两层材料外的第三种浆料，而后在第二基本单元的第三中空部分3处生成包含三层材料的结构，并将其注入第三基本单元的第一中空部分1，而后在第三基本单元的第二中空部分2处注入包裹在三层材料外部的第四层材料。因此该具有三个基本单元的打印头可以打印具有四层结构的器件。
该基本单元或打印头均可通过3D打印技术一体打印制作完成。
本发明第二方面，提供了一种采用上述打印头打印微型器件的方法，参见图3，该方法包括：S1，根据待打印微型器件的尺寸设计并组装打印头，待打印微型器件包括N层结构，由内至外依次为第一层、第二层……、第N层，则打印头包括N-1个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元……、第N-1基本单元；S2，向第一基本单元的第一中空部分1注入制作第一层的材料，并向第一基本单元的第二中空部分2注入制作第二层的材料，以使在第一基本单元的第三中空部分3处形成内部为第一层外部为第二层的结构；S3，向第二基本单元的第二中空部分2注入制作第三层的材料，以使在第二基本单元的第三中空部分3处形成由内到外依次为第一层、第二层和第三层的结构；以此方式，向第m基本单元的第二中空部分2注入制作第m+1层的材料，以使在第m基本单元的第三中空部分3处形成m层结构，直至生成N层结构，m小于等于N-1。具体的，本发明实施例中将以该微型器件为电池对本方法进行详细说明，该电池由四层结构组成，由内到外依次为正极5、隔膜层6、负极7以及包装层8，因此需要具有三个基本单元的打印头。
S1，根据待打印微型器件的尺寸设计并组装打印头，待打印微型器件包括N层结构，由内至外依次为第一层、第二层……、第N层，则打印头包括N-1个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元……、第N-1基本单元；
具体的，如图4所示，根据待打印微型器件的尺寸设计并组装打印头14，并将打印头装载于打印平台上，该打印平台通过气压泵9，压力阀10，高压气管11等装置控制各层打印材料的注入顺序，三维平台12可以移动，以将打印成型的结构移出。本发明实施例中，该微型器件为电池，因此第一层为正极5、第二层为隔膜层6、第三层为负极7、第四层为包装层8(如图5和图6所示)，图4中的第一层材料存储装置13用于存储第一层材料，也即正极浆料；第二层材料存储装置16用于存储第二层材料，也即隔膜层浆料；第三层材料存储装置15用于存储第三层材料，也即负极浆料；第四层材料存储装置17用于存储第四层材料，也即包装层浆料。该打印头14包括三个基本单元，由上至下依次为第一基本单元、第二基本单元以及第三基本单元，该基本单元的尺寸由电池的结构决定。
S2，向第一基本单元的第一中空部分1注入制作第一层的材料，并向第一基本单元的第二中空部分2注入制作第二层的材料，以使在第一基本单元的第三中空部分3处形成内部为第一层外部为第二层的结构；
具体的，向第一基本单元的第一中空部分1注入制作第一层的材料，也即电池最内部的正极材料，向第一基本单元的第二中空部分2注入制作第二层的材料，也即电池的隔膜层的材料，使得在第一基本单元的第三中空部分3处形成内部为正极材料外部为隔膜层材料的两层结构。
该正极材料选用磷酸铁锂粉末或石墨中的一种作为主材料，选用科琴黑或石墨烯或碳纳米管中的一种或多种作为导电剂，选用羟乙基纤维素作为粘度调节材料，其具体的制作过程为：称取10克磷酸铁锂粉末、4克科琴黑、1克羟乙基纤维素倒入烧杯中搅拌均匀，随后加入30毫升去离子水搅拌成粘性胶状混合物作为电池正极的打印浆料。
隔膜层6的材料为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和可溶性纤维素的混合物，其制作过程为：称取3.75克聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物缓慢加入30毫升N-甲基吡咯烷酮中，加入的过程保持搅拌，加入后搅拌24小时至完全溶解，随后再加入1.5克羟丙甲纤维素搅拌均匀。
S3，向第二基本单元的第二中空部分2注入制作第三层的材料，以使在第二基本单元的第三中空部分3处形成由内到外依次为第一层、第二层和第三层的结构；以此方式，向第m基本单元的第二中空部分2注入制作第m+1层的材料，以使在第m基本单元的第三中空部分3处形成m+1层结构，直至生成N层结构，m小于等于N-1。
具体的，第一基本单元的第三中空部分3与第二基本单元的第一中空部分1连接，因此第二单元的第一中部分1注入的是具有正极和隔膜层两层结构的材料，此时，在第二基本单元的第二中空部分注入包括该两层结构外的第三层材料，也即负极材料，因此在第二基本单元的第三中空部分3处生成了具有正极、隔膜层以及负极的三层结构，依次方式，在第三基本单元的第二中空部分2注入第四种材料，也即包装层，本发明实施例中，包装层8的材料为聚二甲基硅氧烷与可溶性纤维素的混合物，因此在第三基本单元的第三中空部分3处形成了具有四层结构的预处理电池结构。
将该预处理电池结构首先放入冷冻干燥剂中干燥48小时，随后放入烘箱中，设置烘箱温度为90度保持24小时以上，将打印的预处理电池结构成型烘干除去里面的水分，随后立即转入手套箱中，在手套箱中加入电解液选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装好后就能得到最终所需的电池。
本发明实施例中仅仅以电池的打印为例，本发明并不限于电池的打印，还可以用于打印微型超级电容器、微型传感器等。
将该方法用于了微型器件结构的一体成型制备，可实现微型器件多层结构同时一步成型制备，从而实现微型器件的快速高效。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层芯壳结构打印头，包括多个依次连接的基本单元，每一所述基本单元包括：
第一中空部分(1)，其贯通设于所述基本单元的中心；
第二中空部分(2)，其通过截面为对称梯形的结构(4)与所述第一中空部分(1)隔开，并设于所述结构(4)的外围；
第三中空部分(3)，其设于所述第一中空部分(1)、所述第二中空部分(2)以及结构(4)的下部；
其中，每一基本单元的第一中空部分(1)与上一基本单元的第三中空部分(3)对应连接。
2.根据权利要求1所述的打印头，所述第一中空部分(1)为圆柱体或长方体。
3.根据权利要求1所述的打印头，所述第二中空部分(2)的第一表面(201)和第二表面(202)的截面为漏斗形。
4.根据权利要求3所述的打印头，所述第一表面(201)与第二表面(202)平行。
5.根据权利要求1或2所述的打印头，所述第二中空部分(2)包括一进料口(203)。
6.根据权利要求1所述的打印头，采用3D打印技术打印所述打印头。
7.一种采用上述权利要求1～6任意一项所述打印头打印微型器件的方法，所述方法包括：
S1，根据所述待打印微型器件的尺寸设计并组装打印头，所述待打印微型器件包括N层结构，由内至外依次为第一层、第二层……、第N层，则所述打印头包括N-1个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元……、第N-1基本单元；
S2，向所述第一基本单元的第一中空部分(1)注入制作所述第一层的材料，并向所述第一基本单元的第二中空部分(2)注入制作所述第二层的材料，以使在所述第一基本单元的第三中空部分(3)处形成内部为第一层外部为第二层的结构；
S3，向所述第二基本单元的第二中空部分(2)注入制作所述第三层的材料，以使在所述第二基本单元的第三中空部分(3)处形成由内到外依次为第一层、第二层和第三层的结构；以此方式，向所述第m基本单元的第二中空部分(2)注入制作所述第m+1层的材料，以使在所述第m基本单元的第三中空部分(3)处形成m+1层结构，直至生成所述N层结构，m小于等于N-1。
8.根据权利要求7所述的方法，所述待打印微型器件为电池，所述电池由内至外依次为正极(5)、隔膜层(6)、负极(7)以及包装层(8)，所述打印头包括三个基本单元，从上到下依次为第一基本单元、第二基本单元以及第三基本单元。
9.根据权利要求8所述的方法，所述正极(5)和负极(7)材料为磷酸铁锂粉末或石墨中的一种、科琴黑或石墨烯或碳纳米管中的一种或多种、羟乙基纤维素以及去离子水组成的混合物。
10.根据权利要求7所述的方法，所述隔膜层(6)的材料为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和可溶性纤维素的混合物；所述包装层(8)的材料为聚二甲基硅氧烷与可溶性纤维素的混合物。
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