CN114474997B - 一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，属于喷墨打印设备技术领域。该设备包括：框架单元，所述的框架单元内设有亥姆霍兹线圈、可旋转打印基底、位移机构、恒温加热基座、观测系统、供墨管道和打印喷嘴；所述的亥姆霍兹线圈设置在可旋转打印基底的两侧，可旋转打印基底的上方设有位移机构，位移机构上方设有恒温加热基座，恒温加热基座上方设有打印喷嘴，打印喷嘴上方设有供墨管道，所述的供墨管道上集成设有打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路；该设备将喷墨打印设备与制造磁场的亥姆霍兹线圈相结合，能够在喷墨打印中削弱咖啡环效应并获得高质量均匀沉积图案；其次能够通过增加磁场强度或引入交变磁场，制造具有特殊微结构的打印图案。

Description

一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备

技术领域

本发明属于喷墨打印设备技术领域，具体涉及一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备。

背景技术

喷墨打印(inkjet printing)是一种新型增材制造技术，该技术将功能材料配置成墨水并通过喷嘴按需沉积至目标位置，烧结后即可获得各种形状功能的导电薄膜。喷墨打印能够制造微型电阻、电容、二极管等电子元件，或者制造应变、温度传感器，在柔性电子、可穿戴设备等领域有着良好的发展前景。在探索喷墨打印的应用场景的同时，喷墨打印机本身也在不断改进升级，例如引入了基板加热系统的高温喷墨打印，以及结合了电场与喷墨打印的EDH打印。而结合磁场调控的喷墨打印设备由于其功能尚不明确，仅局限于科学探究而暂无相关设备产品。

喷墨打印在制备传感器、电子元件时，墨水的沉积均匀度是备受关注一个打印质量评估指标。在喷墨打印沉积调控方面，现有的喷墨打印设备通过调控墨水配方，调控基板性质(如粗糙度、润湿性等)来改变墨滴的蒸发沉积模式，从而获得纳米微粒分布均匀的沉积图案。这些方法具有局限性，首先，墨水在调控沉积特性的同时，需要同时考虑可打印性与功能特性，无法做到多打印条件下的普适调控；其次，基板性质的调控也仅限于特定的基板(陶瓷、玻璃基板等)，而对于金属合金基板、塑料材质基板、柔性基板等，其改性难以实施；最后，单纯通过上述被动调控手段仅能实现特定沉积模式的转变，无法获得更加复杂的微结构沉积图案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，该设备

实现了亥姆霍兹线圈和喷墨打印设备的结合，能够调控喷墨打印磁性液滴的蒸发沉积，实现均匀沉积图案以及微结构沉积图案的制造。

本发明提供一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，包括：

框架单元，所述的框架单元内设有亥姆霍兹线圈、可旋转打印基底、位移机构、恒温加热基座、观测系统、供墨管道和打印喷嘴；

所述的亥姆霍兹线圈设置在可旋转打印基底的两侧，可旋转打印基底的上方设有位移机构，位移机构上方设有恒温加热基座，恒温加热基座上方设有打印喷嘴，打印喷嘴上方设有供墨管道，所述的供墨管道上集成设有打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路；

所述的供墨管道和观测系统分别和框架单元连接；

所述的框架单元上方设有设备驱动电源、气源、储墨罐和喷墨打印驱动模块，所述的设备驱动电源和亥姆霍兹线圈电连接，供墨管道和储墨罐连接，储墨罐与气源连接，打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路与喷墨打印驱动模块连接。

优选的是，所述的可旋转打印基底由上部旋转套筒与下部固定套筒组成，上部旋转套筒与下部固定套筒套接。

优选的是，所述的位移机构包括X轴位移机构和Y轴位移机构，X轴位移机构设置在Y轴位移机构的上方。

优选的是，所述的X轴位移机构和Y轴位移机构分别包括步进电机、导轨、滑台和丝杠，电机带动丝杠转动，丝杠带动滑台在导轨的长度方向上做往复运动。

优选的是，所述的观测系统包括顶部观测相机和侧视相机，顶部观测相机设置在打印喷嘴上方，侧视相机设置在打印喷嘴的侧方。

优选的是，所述的框架单元的材质为铝合金。

优选的是，所述的供墨管道、打印喷嘴和储墨罐外层包覆磁性的柔性材料。

本发明的有益效果

本发明提供一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，该设备将喷墨打印设备与制造磁场的亥姆霍兹线圈相结合，能够在喷墨打印中削弱咖啡环效应并获得高质量均匀沉积图案；其次能够通过增加磁场强度或引入交变磁场，制造具有特殊微结构的打印图案。

该设备的功能具体为：(1)施加10mT及以下的恒定或交变磁场，操控磁性墨滴的蒸发沉积模式，抑制咖啡环现象以实现均匀沉积；(2)施加15mT及以上的恒定或交变磁场，制造具有特殊微结构的打印图案，提升图案的粘接、拉伸性能。

附图说明

图1为本发明一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备的结构示意图；

图2为本发明一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备的位移机构和恒温加热基座的局部放大图；

图3为本发明X轴位移机构和Y轴位移机构的结构示意图；

图4为本发明可旋转打印基底的结构示意图。

图中：1、顶部观测相机；2、亥姆霍兹线圈；3、供墨管道；4、打印喷嘴；5、侧视相机；6、X轴位移机构；7、恒温加热基座；8、Y轴位移机构；9、可旋转打印基底；10、框架单元；11、设备驱动电源；12、气源；13、储墨罐；14、喷墨打印驱动模块；15、步进电机；16、导轨；17、滑台；18、丝杠；19、上部旋转套筒；20、下部固定套筒。

具体实施方式

本发明提供一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，如图1和2所示，包括：

框架单元10，所述的框架单元10内设有亥姆霍兹线圈2、可旋转打印基底9、位移机构、恒温加热基座7、观测系统、供墨管道3和打印喷嘴4；

所述的亥姆霍兹线2设置在可旋转打印基底9的两侧，可旋转打印基底9的上方设有位移机构，位移机构上方设有恒温加热基座7，恒温加热基座7上方设有打印喷嘴4，打印喷嘴4上方设有供墨管道3，所述的供墨管道3上集成设有打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路；

所述的供墨管道3和观测系统分别和框架单元10连接；

所述的框架单元10上方设有设备驱动电源11、气源12、储墨罐13和喷墨打印驱动模块14，所述的设备驱动电源11和亥姆霍兹线圈2电连接，供墨管道3和储墨罐13连接，储墨罐13与气源12连接，打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路与喷墨打印驱动模块14连接。

如图4所示，本实施方式所述的可旋转打印基底9由上部旋转套筒19与下部固定套筒20组成，上部旋转套筒19与下部固定套筒20套接。上部旋转套筒19可以手动调节，能够任意方向旋转并固定在任一角度，从而实现打印过程中磁场方向的改变。

如图3所示，本实施方式所述的位移机构包括X轴位移机构6和Y轴位移机构8，X轴位移机构6设置在Y轴位移机构8的上方，所述的X轴位移机构6和Y轴位移机构8结构相同，分别包括步进电机15、导轨16、滑台17和丝杠18，所述的步进电机15设置在导轨16的一侧并和丝杠18连接，滑台17和丝杠18都设置在导轨16上；电机15带动丝杠18转动，丝杠18带动滑台17在导轨16的长度方向上做往复运动。

本实施方式在可旋转打印基底9上方安装有位移机构,因此该打印机具有三轴自由度(X、Y平移，Z旋转)，进一步的改进可以增加Z轴平移等自由度，方便曲面打印的实施。

本实施方式所述的观测系统包括顶部观测相机1和侧视相机5，顶部观测相机1设置在打印喷嘴4上方并和框架单元10的顶部连接，侧视相机5设置在打印喷嘴侧方并和框架单元10侧方连接。

本实施方式所述的框架单元10包括上下两个平台和四边框架，所述框架单元10的材质为铝合金。

本实施方式所述的打印喷嘴4为可更换设计，其喷口直径最小至20μm，最大至100μm，可按实际需求制造不同直径的液滴。

本实施方式所述的恒温加热基座7的结构没有特殊限制，采用现有的加热基座7即可，本发明是采用在基座内部设置材质为铜块的加热片，实现恒温加热功能。

本实施方式所述的供墨管道3、打印喷嘴4和储墨罐13包覆一层磁性的柔性材料，亥姆霍兹线圈2产生的高强度磁场会干扰喷墨打印机设备的正常运作，因此需要使用磁屏蔽材料对易受干扰的设备进行包覆处理，从而杜绝磁场对这些设备的干扰，所述的磁性的柔性材料的来源为商购。

本实施方式所述的供墨管道3、打印喷嘴4、气源12、储墨罐13和喷墨打印驱动模块14组成喷墨打印设备。

本实施方式所述的设备驱动电源11能实现磁场快速开闭以及磁场强度快速调整，喷墨打印设备需要调控亥姆霍兹线圈2的电流电压以制造恒定磁场，所述的设备驱动电源11的型号为MP2005D。

本实施方式所述的打印驱动模块14、位移机构和观测系统还分别和计算机(图中未画出)连接，结合磁场主动调控技术的喷墨打印机有以下操控需求：(1)打印机需要实时调控脉冲波形用于驱动喷嘴的压电陶瓷；(2)打印机需要顶部观测相机1和侧视相机5观察墨滴的生成与打印的效果；(3)打印机需要调控亥姆霍兹线圈2的电流电压以制造恒定磁场；(4)打印机需要识别图片并计算轨迹打印图案。这些需求将整合为一个交互软件供操作者使用。

本实施方式所述的基于上述磁场调控的喷墨打印沉积设备的纳米颗粒自组装沉积方法，该方法包括：

步骤一：搭建上述基于磁场调控的喷墨打印沉积设备；

步骤二：将墨水置于喷墨打印设备中，所述的墨水为磁流体墨水或者磁性纳米颗粒墨水，所述的磁流体墨水优选包括水基氧化铁磁流体墨水或煤油基氧化铁磁流体墨水，所述的磁性纳米颗粒墨水是将磁性颗粒和分散溶剂混合获得，所述的磁性颗粒优选为铁或镍纳米微粒，所述的磁性颗粒的粒径小于50nm，来源为商购，分散溶剂优选为去离子水、乙二醇或异丙醇；所述的墨水的质量分数优选为2％-10％。所述的墨水中优选还可以加入稳定剂，稳定剂为PVP或黄原胶，稳定剂的加入量优选为质量分数0.25％-1％；所述的磁性纳米颗粒墨水配置完后，优选置于超声破碎机内超声解聚2-3h，超声破碎机功率优选为240w，取出墨水进行过滤；

步骤三：设计打印线路打印或者使用移液器涂布点阵及线路，启动亥姆霍兹线圈通电施加磁场，所述的磁场强度设定为20mT以上，将打印基底置于恒温加热基座上，恒温加热基座温度设定为低于墨水溶剂沸点50-70℃，通过喷墨打印在基板上沉积单层微结构磁链图案；所述的打印基座优选为陶瓷片或PI膜；

步骤四：通过改变磁场的方向，将微结构磁链进行融合和叠加，形成多层微结构图案。

本实施方式所述的得到上述多层微结构图案后，优选将打印制备所得图案置于管式炉内烧结，通入氦气防止线路在烧结过程中氧化；对于基底耐温性较差的打印材料，可使用激光烧结，最终可获得导电线路或者相应的传感器或元器件。所述的设定烧结加热最高温度为700℃，升温时间优选30min，恒温时间优选为10min。加热结束后，基板在管式炉内自然冷却至室温，最终获得交叉微结构导电线路。

本实施方式一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备的工作原理为：喷墨打印通过喷墨打印设备集合了打印喷嘴4、供墨管道3、气源、储墨罐13和喷墨打印驱动模块14，其中喷嘴4内置压电陶瓷，在驱动脉冲信号的作用下形变挤压墨水，按需产生小液滴用于打印，亥姆霍兹线圈2用于在打印中施加磁场，从而实现液滴的主动调控，此外设备驱动电源11能够实现磁场快速开闭以及磁场强度快速调整，打印过程中，打印基底被置于恒温加热基座7上方，Y轴位移机构8、X轴位移机构6、可旋转打印基底9在打印过程中受指令控制进行不同距离、不同速度的位移，实现对点间距、打印速度的操控，从而打印出宏观的特定图案以及微观的特定磁场微结构。在面对复杂曲面打印时，该设备还会进一步增加自由度(Z轴平移、X轴Y轴旋转)，实现更加精细的位移及角度控制。顶部观测相机1与侧视相机5用于观测液滴生成特性与打印效果。

Claims (5)

1.一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，其特征在于，包括：

框架单元，所述的框架单元内设有亥姆霍兹线圈、可旋转打印基底、位移机构、恒温加热基座、观测系统、供墨管道和打印喷嘴；

所述的亥姆霍兹线圈设置在可旋转打印基底的两侧，可旋转打印基底的上方设有位移机构，位移机构上方设有恒温加热基座，恒温加热基座上方设有打印喷嘴，打印喷嘴上方设有供墨管道，所述的供墨管道上集成设有打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路；

所述的供墨管道和观测系统分别和框架单元连接；

所述的框架单元上方设有设备驱动电源、气源、储墨罐和喷墨打印驱动模块，所述的设备驱动电源和亥姆霍兹线圈电连接，供墨管道和储墨罐连接，储墨罐与气源连接，打印喷嘴压电陶瓷驱动信号线路与喷墨打印驱动模块连接；

所述的位移机构包括X轴位移机构和Y轴位移机构， X轴位移机构设置在Y轴位移机构的上方；

所述的X轴位移机构和Y轴位移机构分别包括步进电机、导轨、滑台和丝杠，电机带动丝杠转动，丝杠带动滑台在导轨的长度方向上做往复运动；

设计打印线路打印或者使用移液器涂布点阵及线路，启动亥姆霍兹线圈通电施加磁场，所述的磁场强度设定为20mT以上，将打印基底置于恒温加热基座上，恒温加热基座温度设定为低于墨水溶剂沸点50-70℃，通过喷墨打印在基板上沉积单层微结构磁链图案；所述的打印基座为陶瓷片或PI膜；墨水为磁流体墨水或者磁性纳米颗粒墨水。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，其特征在于，所述的可旋转打印基底由上部旋转套筒与下部固定套筒组成，上部旋转套筒与下部固定套筒套接。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，其特征在于，所述的观测系统包括顶部观测相机和侧视相机，顶部观测相机设置在打印喷嘴上方，侧视相机设置在打印喷嘴的侧方。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，其特征在于，所述的框架单元的材质为铝合金。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁场调控的喷墨打印沉积设备，其特征在于，所述的供墨管道、打印喷嘴和储墨罐外层包覆磁性的柔性材料。

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