CN113232290A - 一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法 - Google Patents

一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，提供一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法，包括射流喷印模块、平台运动模块、视觉模块、快速固化模块和控制模块五个部分。射流喷印模块实现微纳导电墨水以一定的流速从复合场喷头喷孔处流出；平台运动模块可通过控制运动平台带动半导体衬底在平面中运动；视觉模块由工业相机和实时检测软件构成，实现对喷印过程的实时监控；快速固化模块由微型风箱和紫外光发射面板组成，利用紫外光照射和一定速度热气流的复合作用，加速射流在半导体衬底上的固化，控制模块通过计算机对喷头夹具的位置控制，实现复合场喷头按照预先规划路线动作。本发明的有益效果为装置简单、热射流固化速度快，可提高微纳三维结构的稳定性，并减少固化过程对半导体衬底性质的破坏。

Description

一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法。
背景技术
热固化是一种传统的后处理技术，可用于大部分材料的固化和烧结，是目前最为广泛使用的后处理技术之一。随着低温烧结墨水的开发，热固化技术在电子器件的低温喷印制备中得到了进一步应用。现有装置及方法主要是通过改变衬底温度，实现喷印后墨水的加速固化，然而，热固化技术在固化喷印墨水的同时，还使基底材料迅速升温，易产生热应力与形变，还存在加热均匀性较差的问题。红外固化是利用波长为700～15000nm的光辐射产生热量进行固化的技术。与热固化相比，红外固化能在极短时间产生数百摄氏度的高温，虽然大幅减少了固化时间，但对基底材料的耐热性提出了较高的要求。以上两种方法在固化过程中都对基底材料的性质提出来较高的要求，使得基底材料的寿命下降，且增加了产品生产质量的不确定性，而且缺少对固化后微纳三维结构表面的检测。虽然电喷射三维打印的结构特性在很大程度上取决于功能材料本身性质，但是微纳三维结构的固化方式对结构特征形貌及性能也有很大影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法。利用紫外光照射和具有一定速度热气流的复合作用，加速精细射流到达衬底上的固化，减小传统热固化方式引起的基底材料热应力及形变，实现微纳尺度三维结构打印的快速固化。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种快速固化的电喷射三维打印装置，包括射流喷印模块、平台运动模块、视觉模块、快速固化模块和控制模块五部分。
所述的射流喷印模块包括高压电源、注射泵、注射器、微纳导电墨水、连接管道、复合场喷头和喷头夹具构成；所述注射泵由220V交流电源供电，注射器通过螺栓固定在注射泵上，注射泵将微纳导电墨水泵入注射器中；注射器的针头端通过连接管道和复合场喷头上端连接；所述的喷头夹具前端可导电并定位夹紧复合场喷头，后端绝缘固定在可垂直移动的Z轴上，调节喷印高度；所述的复合场喷头由导电材料制造，头部具有喷孔；所述的高压电源与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具导电部分连接。
所述的平台运动模块包括运动平台、运动平台载物基板、载物平台和半导体衬底；所述的半导体衬底通过绝缘卡扣固定在载物平台的正上方；所述的载物平台通过绝缘螺栓安装在运动平台载物基板上，运动平台载物基板下端通过绝缘卡扣固定在运动平台上，使其随运动平台做同样的运动；所述的运动平台由220V交流电源供电，并与所述计算机连接实现通信，计算机通过程序控制运动平台做X、Y两个方向的运动，且可控制运动平台的运动轨迹和运动速度。
所述的视觉模块包括工业相机及配套的实时检测软件；所述的工业相机与计算机连接，工业相机的镜头拍摄打印区域，通过配套的实时检测软件实时检测打印过程。
所述的快速固化模块包括微型风箱、紫外光发射面板、制风机和气管；所述的紫外光发射面板由灯架和紫外灯组成，所述的制风机由出风口、风扇叶片和电机组成；所述的微型风箱和紫外光发射面板通过绝缘螺栓固定在载物平台的左右两侧；所述的制风机安装在打印装置左侧的地面上，所述的紫外光发射面板与计算机连接，计算机可通过程序控制紫外光发射面板发射一定的波长的紫外光照射半导体衬底；所述的制风机与计算机相连，所述的微型风箱通过气管连接到制风机上，制风机可根据计算机的指令制造一定速度的热气流，所述的微型风箱可将热气流吹向半导体衬底加快射流的固化速度。
所述的控制模块为计算机，计算机控制运动平台的运动轨迹、运动速度和复合场喷头距离运动平台的距离，并控制工业相机对打印过程检测，并根据工业相机反馈数值实时改变打印工艺参数。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种快速固化的电喷射三维打印方法，采用上述的打印制造装置进行实施，其方法步骤具体如下：
第一步，复合场条件下稳定射流形成
将半导体衬底通过绝缘卡扣固定在载物平台的正上方将其固定，选用纳米级银浆料作为导电墨水。通过注射泵将微纳导电墨水注射到复合场喷头中。计算机通过工业相机反馈的数据调节复合场喷头的喷孔与半导体衬底的间距，同时控制高压电源的输出频率，工业相机观测射流形态和微纳三维结构的三维模态，最终使得稳定的电射流从复合场喷头的喷孔喷出，并在半导体衬底上形成结构稳定的微纳三维结构；
第二步，微纳三维结构的三维制造
在计算机中编写运动平台控制程序，使用计算机控制运动平台运动的速度和运动轨迹，在半导体衬底上打印出指定的微纳三维结构，设置运动平台的运动速度。启动运动平台控制软件，运动平台随即按照设定好的程序运动，在半导体衬底上打印微纳三维结构的图形，所述的微纳三维结构的图形打印过程通过工业相机和实时检测软件检测，保证射流形态的稳定性；
第三步，微纳三维结构的固化成型
在微纳三维结构图形制造的过程中，紫外光发射面板对正在成型的微纳三维结构发射紫外光，同时根据实时检测软件反馈数值实时调节紫外光发射功率；同时，微型风箱向成型中的微纳三维结构吹热气流，微型风箱所吹出气流的温度和风速可根据实时检测软件反馈的数值实时调节，使得在半导体衬底上的微纳三维结构快速固化成型，得到结构稳定的光伏电池板。
本发明的有益效果为：利用快速固化的电喷射三维打印装置及方法，实现微纳三维结构的快速固化，基于电流体动力效应喷射出的热射流在半导体衬底上打印出维结构的图形，利用紫外光照射和具有一定速度热气流的复合作用固化微纳三维结构，能够优化光伏电池板上的微纳三维结构，提高微纳三维结构的导电性，有利于提高光伏电池板的光电转换率等优势。
附图说明：
图1是本发明实施例中的一种快速固化的电喷射三维打印装置简图。
图2是本发明实施例中的单块紫外光照射光板示意图。
图3是本发明实施例中的单块紫外光照射光板侧视图。
图4是本发明实施例中的微型风箱简图。
图5是本发明实施例中的制风机结构简图。
图中：1-高压电源、2-注射泵、3-注射器、4-微纳导电墨水、5-连接管道、6-复合场喷头、7-喷头夹具、8-工业相机、9-计算机、10-运动平台、11-运动平台载物基板、12-载物平台、13-半导体衬底、14-微型风箱、15-紫外光发射面板、151-灯架、152-紫外灯、16-制风机、161-出风口、162-风扇叶片、163-电机、17-气管。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图5。
本实施例公开了一种快速固化的电喷射三维打印装置，该装置包括射流喷印模块、平台运动模块、视觉模块、快速固化模块和控制模块五部分。该装置是利用复合场加速热射流在半导体衬底上的固化速度。利用紫外光照射和具有一定速度热气流的复合作用，加速精细射流到达衬底上的固化，减小传统热固化方式引起的基底材料热应力及形变，实现微纳尺度三维结构打印的快速固化。
具体地讲，在本实施例中，所述的射流喷印模块包括高压电源、注射泵、注射器、微纳导电墨水、连接管道、复合场喷头和喷头夹具。所述注射泵由220V交流电源供电，注射器通过螺栓固定在注射泵上，注射泵将微纳导电墨水泵入注射器中；注射器的针头端通过连接管道和复合场喷头上端连接；所述的喷头夹具前端可导电并定位夹紧复合场喷头，后端绝缘固定在可垂直移动的Z轴上，调节喷印高度；所述的复合场喷头由导电材料制造，头部具有喷孔；所述的高压电源与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具导电部分连接。
具体地讲，在本实施例中，平台运动模块包括运动平台、运动平台载物基板、载物平台和半导体衬底；所述的半导体衬底通过绝缘卡扣固定在载物平台的正上方；所述的载物平台通过绝缘螺栓安装在运动平台载物基板上，运动平台载物基板下端通过绝缘卡扣固定在运动平台上，使其随运动平台做同样的运动；所述的运动平台由220V交流电源供电，并与所述计算机连接实现通信，计算机通过程序控制运动平台做X、Y两个方向的运动，且可控制运动平台的运动轨迹和运动速度。
具体地讲，在本实施例中，视觉模块包括工业相机及配套的实时检测软件；所述的工业相机与计算机连接，工业相机的镜头拍摄打印区域，通过配套的实时检测软件实时检测打印过程。
具体地讲，在本实施例中，快速固化模块包括微型风箱、紫外光发射面板、制风机和气管；所述的紫外光发射面板由灯架和紫外灯组成，所述的制风机由出风口、风扇叶片和电机组成；所述的微型风箱和紫外光发射面板通过绝缘螺栓固定在载物平台的左右两侧；所述的制风机安装在打印装置左侧的地面上，所述的紫外光发射面板与计算机连接，计算机可通过程序控制紫外光发射面板发射一定的波长的紫外光照射半导体衬底；所述的制风机与计算机相连，所述的微型风箱通过气管连接到制风机上，制风机可根据计算机的指令制造一定速度的热气流，所述的微型风箱可将热气流吹向半导体衬底加快射流的固化速度。
具体地讲，在本实施例中，控制模块为计算机，计算机控制运动平台的运动轨迹、运动速度和复合场喷头距离运动平台的距离，并控制工业相机对打印过程检测，并根据工业相机反馈数值实时改变打印工艺参数。
本实施例中还公开了一种快速固化的电喷射三维打印方法，其具体步骤如下：
第一步，复合场条件下稳定射流形成
将半导体衬底通过绝缘卡扣固定在载物平台的正上方将其固定，选用纳米级银浆料作为微纳导电墨水，其表面张力为10-90mN/m，粘度为3-500cP。通过注射泵将微纳导电墨水注射到复合场喷头中，控制银浆料的流量为1.5-30μl/min。调节复合场喷头的喷孔与半导体衬底的间距为2.5-30mm，同时控制高压电源的输出频率为55-85Hz，高压为300-2000V的交流脉冲电压，使用工业相机观测射流形态和微纳三维结构的三维模态，最终使得稳定的电射流从复合场喷头的喷孔处喷出，并在半导体衬底上形成结构稳定的微纳三维结构；
第二步，微纳三维结构的三维制造
在计算机中编写运动平台控制程序，使用计算机程序控制运动平台运动的速度和运动轨迹，在半导体衬底上打印出指定的微纳三维结构，设置运动平台的运动速度为15-100mm/s。启动运动平台控制软件，运动平台随即按照设定好的程序运动，在半导体衬底上打印微纳三维结构的图形，所述的微纳三维结构的图形打印过程，通过工业相机和实时检测软件检测，从而保证射流形态的稳定性；
第三步，微纳三维结构的固化成型
在微纳三维结构图形制造的过程中，紫外光发射面板对正在成型的微纳三维结构发射波长为200～450nm的紫外光，同时根据实时检测软件反馈数值实时调节紫外光发射功率；同时，微型风箱向成型中的微纳三维结构吹风速为1.6-3m/s温度为80-150摄氏度的热气流，微型风箱所吹出气流的温度和风速可根据实时检测软件反馈的数值实时调节，使得在半导体衬底上的微纳三维结构快速固化成型，得到结构稳定的微纳三维结构。最终得到的微纳三维结构线宽为35-55μm，高度为35-55μm，高宽比约为1∶1。

Claims (2)

1.一种快速固化的电喷射三维打印装置及方法，其特征在于，所述的装置包括射流喷印模块、平台运动模块、视觉模块、快速固化模块和控制模块；
所述的射流喷印模块包括高压电源(1)、注射泵(2)、注射器(3)、微纳导电墨水(4)、连接管道(5)、复合场喷头(6)和喷头夹具(7)构成；所述注射泵(2)由220V交流电源供电，注射器(3)通过螺栓固定在注射泵(2)上，注射泵(2)将微纳导电墨水(4)泵入注射器(3)中；注射器(3)的针头端通过连接管道(5)和复合场喷头(6)上端连接；所述的喷头夹具(7)前端可导电并定位夹紧复合场喷头(6)，后端绝缘固定在可垂直移动的Z轴上，调节喷印高度；所述的复合场喷头(6)由导电材料制造，头部具有喷孔；所述的高压电源(1)与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具(7)导电部分连接；
所述的平台运动模块包括运动平台(10)、运动平台载物基板(11)、载物平台(12)和半导体衬底(13)；所述的半导体衬底(13)通过绝缘卡扣固定在载物平台(12)的正上方；所述的载物平台(12)通过绝缘螺栓安装在运动平台载物基板(11)上，运动平台载物基板(11)下端通过绝缘卡扣固定在运动平台(10)上，使其随运动平台(10)做同样的运动；所述的运动平台(10)由220V交流电源供电，并与所述计算机(9)连接实现通信，计算机(9)通过程序控制运动平台(10)做X、Y两个方向的运动，且可控制运动平台(10)的运动轨迹和运动速度；
所述的视觉模块包括工业相机(8)及配套的实时检测软件；所述的工业相机(8)与计算机(9)连接，工业相机(8)的镜头拍摄打印区域，通过配套的实时检测软件实时检测打印过程；
所述的快速固化模块包括微型风箱(14)、紫外光发射面板(15)、制风机(16)和气管(17)；所述的紫外光发射面板(15)由灯架(151)和紫外灯(152)组成，所述的制风机(16)由出风口(161)、风扇叶片(162)和电机(163)组成；所述的微型风箱(14)和紫外光发射面板(15)通过绝缘螺栓固定在载物平台(12)的左右两侧；所述的制风机(16)安装在打印装置左侧的地面上，所述的紫外光发射面板(15)与计算机(9)连接，计算机(9)可通过程序控制紫外光发射面板(15)发射一定的波长的紫外光照射半导体衬底(13)；所述的制风机(16)与计算机(9)相连，所述的微型风箱(14)通过气管(17)连接到制风机(16)上，制风机(16)可根据计算机(9)的指令制造一定速度的热气流，所述的微型风箱(14)可将热气流吹向半导体衬底(13)加快射流的固化速度；
所述的控制模块为计算机(9)，计算机(9)控制运动平台(10)的运动轨迹、运动速度和复合场喷头(6)距离运动平台(10)的距离，并控制工业相机(8)对打印过程检测；
所述的微型风箱(14)其特征在于，可吹出气流的速度范围为0-2m/s，其温度范围为10-150°；
所述的紫外光发射面板(15)其特征在于，紫外光发射面板(15)的发射功率为0-600W。
2.一种快速固化的电喷射三维打印方法，采用权利要求1所述的打印装置进行实施，其特征在于，步骤如下：
第一步，复合场条件下稳定射流形成
将半导体衬底(13)通过绝缘卡扣固定在载物平台(12)的正上方将其固定，选用纳米级银浆料作为导电墨水通过注射泵(2)将微纳导电墨水(4)注射到复合场喷头(6)中；调节复合场喷头(6)的喷孔与半导体衬底(13)的间距，同时控制高压电源(1)的输出频率，使用工业相机(8)观测射流形态和微纳三维结构的三维模态，最终使得稳定的电射流从复合场喷头(6)的喷孔处喷出，并在半导体衬底(13)上形成结构稳定的微纳三维结构；
第二步，微纳三维结构的三维制造
在计算机(9)中编写运动平台(10)控制程序，使用计算机(9)控制程序控制运动平台(10)运动的速度和运动轨迹，在半导体衬底(13)上打印出指定的微纳三维结构，设置运动平台(10)的运动速度；启动运动平台(10)控制软件，运动平台(10)随即按照设定好的程序运动，在半导体衬底(13)上打印微纳三维结构的图形，所述的微纳三维结构的图形打印过程通过工业相机(8)和实时检测软件检测，保证射流形态的稳定性；
第三步，微纳三维结构的固化成型
在微纳三维结构图形制造的过程中，紫外光发射面板(15)对正在成型的微纳三维结构发射紫外光，同时根据实时检测软件反馈数值实时调节紫外光发射功率；同时，微型风箱(14)向成型中的微纳三维结构吹热气流，微型风箱(14)所吹出气流的温度和风速可根据实时检测软件反馈的数值实时调节，使得在半导体衬底(13)上的微纳三维结构快速固化成型，得到结构稳定微纳三维结构。
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