CN114606541B - 一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其方法，采用微电机和压电陶瓷配合运动，通过信号采集器实时监测探针和打印基底间的电流信号，依据电流信号反馈，确定打印范围的第一个基点的三维坐标，然后抬起探针，移动XY方向，重复上述操作，获取打印区域其他三个角点的三维坐标；在获取到打印区域四个角点坐标后，通过拟合平面算法，求得该打印平面的法向量，将所需打印的模型生成打印扫描路径，结合平面的法向量和打印扫描路径得到复合型二维打印路径。本发明可以实现打印平面的自动矫正，避免在微纳米尺度下的二维平面打印时出现断触或者碰撞的现象，实现快速有效的二维平面微纳打印。

Description

一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其 方法

技术领域

本发明涉及微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其方法。

背景技术

近年来，由于增材制造技术可以制造出任意三维几何结构，受到国内外研究者的广泛关注；尽管现有研究在聚合物3D打印方面有了很大进展，但是在微观和纳米尺度下的技术进展却十分有限。目前，在微观领域的金属微纳制造方法中最成熟的方法是选择性激光熔化和电子束熔化，然而，这两项技术依赖于金属颗粒的局部熔合形成固体材料，成型出的最小线宽为几十微米，它们不适合微观尺度及以下尺寸的加工。电化学沉积技术常用于微纳结构增材制造中，简称电沉积，是一种典型的以逐层堆积方式成形的增材式加工方法。基于水溶液的电沉积技术一般具有适用材料广泛、操作温度低、组织-形貌-性能可协同控制、应用形式灵活等工艺优势。半月形液滴限制电化学沉积(Meniscus confinedelectrodeposition,MCED)是电化学沉积中的一种。在微移液管出口与阴极间形成连续稳定的微液桥，并在在电场作用下微液桥内的金属离子还原为原子并堆积在阴极上。现阶段可实现的电沉积打印多为阵列铜柱，若进行二维的微纳平面打印则需要逐点打印，费时且效率低。二维的微纳平面打印在实际的应用生产中拥有更高的需求和更广的应用范围，而进行二维平面打印时，由于打印基底的水平度无法确定，若探针每打印一个点都需要重新提起再寻找下一个点的打印位置，则过于浪费时间，工作效率低下，但当探针直接横向移动进行电化学沉积时，与基底的距离将会渐远或渐近，容易产生液桥断裂或者探针的尖端碰撞到基底的现象，从而无法实现快速连续的横向沉积。

目前已知的相关的增材制造技术有以下几种改进。如申请号为201410149810.3，名称为“3D打印机及其自动调平方法”的专利，该方法通过增加接近传感器,通过智能识别打印平台倾斜状况并进行调节,使用方便,减少了操作者对打印机的调平及维护工作。该技术方案虽然能够调节打印平台的倾斜水平，但是只适用于大尺度打印平台，并不适用于微纳尺度的打印环境，因为打印区域的面积远远小于整个打印基底，打印区域的水平度和打印基底整体的水平度存在误差，对整个打印基底调平，无法保证打印区域的调平。

如申请号为202110150007.1，名称为“一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用”的专利，该方法通过镀膜的方法在微纳结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得长期高效的长期高效减反微纳结构。但是该技术方案需要使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，然后将得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内制造，工作过程繁琐，效率较低，且应用范围较窄。

如申请号为202010869933.X，名称为“一种液相微纳加工方法和设备”的专利，该设备结合液相纳米加工方法，在基于纳米玻璃微管的微纳加工设备上，采用石英音叉控制纳米玻璃微管直接接触纳米薄膜进行加工，实现纳米薄膜的图形化加工、固体纳米孔加工和纳米3D打印。但该技术方案中探针每打印一个点都需要重新提起再寻找下一个点的打印位置，则过于浪费时间，工作效率低下，若进行二维平面打印时，未考虑到打印基底放置的水平度的不可控性，可能会产生液桥断液或探针碰撞的现象，制造成功率较低。

基于上述问题，本申请提供基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其方法，将使得微纳尺度上的快速二维平面制造操作成为可能，必将在未来的微纳结构成型过程中得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统及其方法，能够实现打印平面的自动矫正，避免在微纳尺度下的二维平面打印时出现液桥断触或者探针碰撞的现象，实现快速有效的微纳二维平面打印。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统，包括设置在微纳打印机上的打印探针、打印基底、Z向粗调装置、XYZ向精调装置、信号采集器、离子电流放大器、主控制器和主机；

所述打印探针由纳米玻璃微探针内注入电解液并插入Cu电极组成，所述打印探针既作为打印时的工作探针，也可根据其与打印基底接触后会产生电流回路作为反馈，用作测量打印基底位置的测位探针；

所述打印基底为经过喷金处理的导电玻璃，所述打印基底的表面粗糙度小于0.01μm；

所述Z向粗调装置包括Z向微电机、以及与Z向微电机连接的微电机控制器；所述微电机控制器与主机连接；

所述XYZ向精调装置包括XYZ向压电陶瓷、以及与XYZ向压电陶瓷连接的压电陶瓷控制器；所述压电陶瓷控制器与主控制器连接；

所述打印探针与信号采集器连接，所述信号采集器通过离子电流放大器与主控制器连接；

采用微电机和压电陶瓷配合运动，通过信号采集器实时监测打印探针和打印基底间的电流信号，依据电流信号反馈，确定打印范围的第一个基点的三维坐标，然后抬起探针，移动XY方向，重复上述操作，获取打印区域其他三个角点的三维坐标；在获取到打印区域四个角点坐标后，通过拟合平面算法，求得该打印平面的法向量，将所需打印的模型生成打印扫描路径，结合平面的法向量和打印扫描路径得到复合型二维打印路径，实现微纳尺度的二维平面打印。

本发明还提供了一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印方法，包括以下步骤：

步骤1、将打印探针内注入电解液并插入Cu电极固定在设备上，移动下方的打印基底，在打印探针出口与打印基底间形成连续稳定的微液桥，并在电场作用下微液桥内的金属离子还原为原子并堆积在打印基底上；

步骤2、采用微电机和压电陶瓷交互配合实现打印基底Z轴方向的精密移动，微电机作为移动打印平台的粗调机构，压电陶瓷作为移动打印平台的精调机构，两者采用先精调后粗调的方法，相互配合精准移动打印平台，使其与打印探针产生液桥连接；

步骤3、采用打印探针对打印基底上的打印区域取多点进行测量，通过拟合平面算法获取打印区域的法向量，打印探针既作为打印时的工作探针，也可根据其与打印基底接触后会产生电流回路作为反馈，用作测量打印基底位置的测位探针；

步骤4、将打印平面的法向量和模型的打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，将需要打印的模型生成其打印扫描路径，利用所获取的法向量与打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，该路径和打印区域平面保存水平关系；将打印路径中均匀插入打印点，将打印点个数及坐标输入主控制器，生成压电陶瓷的控制指令；通过生成的指令控制压电陶瓷XYZ三轴运动，逐点打印，由点成线，由线成面，实现微纳尺度的二维平面打印。

优选地，在步骤3中，打印探针在获取打印区域法向量的步骤如下：

a、将打印探针和打印基底安装于所用的微纳打印设备上，连接好所需设备，手动调节移动打印基底的XY方向，使探针尖端在打印区域的正上方，确定本次打印基点的XY轴位置；

b、驱动Z轴压电陶瓷向上缓慢移动0.05mm，在移动过程中若未检测到探针与打印基底接触，则在完成0.05mm的运动行程后对压电陶瓷，然后驱动Z轴微电机快速向上移动0.05mm，继续重复上述动作使打印平台不断逼近探针尖端；在移动过程中若检测到探针与打印基底接触，即找到工作区，则离开停止驱动压电陶瓷，然后记录此刻Z轴微电机和Z轴压电陶瓷的位置状态；

c、通过步骤b获取打印的第一个基点坐标(0，0，z1)，然后驱动X轴压电陶瓷移动d1，重复步骤b，获取第二个测量点坐标(d1，0，z2)；然后驱动Y轴压电陶瓷移动d2，重复步骤b，获取第三个测量点坐标(d1，d2，z3)；然后驱动X轴压电陶瓷复位，重复步骤b，获取第四个测量点坐标(0，d2，z4)；

d、通过平面拟合算法，将获取的四个测量点坐标进行处理，最终得到打印区域的法向量。

通过采用上述技术方案：可以实现打印平面的自动矫正，避免二维平面打印时出现液桥断触或者探针碰撞的现象，实现快速有效的二维平面打印。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用打印探针和打印基底之间形成稳定的弯月液进行电化学沉积，通过控制器来控制并调整打印基底的运动；不需要考虑打印基底摆放的水平度对打印效果的影响，从而可以实现在打印基底的水平度未知的情况下，进行稳定快速的二维平面打印。

2、本发明打印速度较快，打印效率高；减少了操作者对打印机的调平及维护工作，自动化水平高；可以实现打印平面的自动矫正，避免二维平面打印时出现液桥断触或者探针碰撞的现象，实现快速有效的二维平面打印。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明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的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。

参照图1-2，一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统，包括设置在微纳打印机上的打印探针1、打印基底2、Z向粗调装置、XYZ向精调装置、信号采集器3、离子电流放大器4、主控制器5和主机6；

所述打印探针1由纳米玻璃微探针内注入电解液并插入Cu电极组成，所述打印探针既作为打印时的工作探针，也可根据其与打印基底接触后会产生电流回路作为反馈，用作测量打印基底位置的测位探针；

所述打印基底2为经过喷金处理的导电玻璃，所述打印基底2的表面粗糙度小于0.01μm；

所述Z向粗调装置包括Z向微电机7、以及与Z向微电机7连接的微电机控制器8；所述微电机控制器8与主机6连接；

所述XYZ向精调装置包括XYZ向压电陶瓷9、以及与XYZ向压电陶瓷9连接的压电陶瓷控制器10；所述压电陶瓷控制器10与主控制器5连接；

所述打印探针1与信号采集器3连接，所述信号采集器3通过离子电流放大器4与主控制器5连接；

采用微电机和压电陶瓷配合运动，通过信号采集器实时监测打印探针和打印基底间的电流信号，依据电流信号反馈，确定打印范围的第一个基点的三维坐标，然后抬起探针，移动XY方向，重复上述操作，获取打印区域其他三个角点的三维坐标；在获取到打印区域四个角点坐标后，通过拟合平面算法，求得该打印平面的法向量，将所需打印的模型生成打印扫描路径，结合平面的法向量和打印扫描路径得到复合型二维打印路径，实现微纳尺度的二维平面打印。

参照图2，一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印方法，包括以下步骤：

步骤1、将打印探针内注入电解液并插入Cu电极固定在设备上，移动下方的打印基底，在打印探针出口与打印基底间形成连续稳定的微液桥，并在电场作用下微液桥内的金属离子还原为原子并堆积在打印基底上。

步骤2、采用微电机和压电陶瓷交互配合实现打印基底Z轴方向的精密移动，微电机作为移动打印平台的粗调机构，压电陶瓷作为移动打印平台的精调机构，两者采用先精调后粗调的方法，相互配合精准移动打印平台，使其与打印探针产生液桥连接。

步骤3、采用打印探针对打印基底上的打印区域取多点进行测量，通过拟合平面算法获取打印区域的法向量，打印探针既作为打印时的工作探针，也可根据其与打印基底接触后会产生电流回路作为反馈，用作测量打印基底位置的测位探针；

其中，打印探针在获取打印区域法向量的步骤如下：

a、将打印探针和打印基底安装于所用的微纳打印设备上，连接好所需设备，手动调节移动打印基底的XY方向，使探针尖端在打印区域的正上方，确定本次打印基点的XY轴位置；

b、驱动Z轴压电陶瓷向上缓慢移动0.05mm，在移动过程中若未检测到探针与打印基底接触，则在完成0.05mm的运动行程后对压电陶瓷，然后驱动Z轴微电机快速向上移动0.05mm，继续重复上述动作使打印平台不断逼近探针尖端；在移动过程中若检测到探针与打印基底接触，即找到工作区，则离开停止驱动压电陶瓷，然后记录此刻Z轴微电机和Z轴压电陶瓷的位置状态；

c、通过步骤b获取打印的第一个基点坐标(0，0，z1)，然后驱动X轴压电陶瓷移动d1，重复步骤b，获取第二个测量点坐标(d1，0，z2)；然后驱动Y轴压电陶瓷移动d2，重复步骤b，获取第三个测量点坐标(d1，d2，z3)；然后驱动X轴压电陶瓷复位，重复步骤b，获取第四个测量点坐标(0，d2，z4)；

d、通过平面拟合算法，将获取的四个测量点坐标进行处理，最终得到打印区域的法向量。

步骤4、将打印平面的法向量和模型的打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，将需要打印的模型生成其打印扫描路径，利用所获取的法向量与打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，该路径和打印区域平面保存水平关系；将打印路径中均匀插入打印点，将打印点个数及坐标输入主控制器，生成压电陶瓷的控制指令；通过生成的指令控制压电陶瓷XYZ三轴运动，逐点打印，由点成线，由线成面，实现微纳尺度的二维平面打印。

本发明中，利用打印探针测量打印区域的四个角点坐标，通过平面拟合算法获取打印区域的法向量，结合所打印模型的打印扫描路径，生成该平面特定的二维打印路径；能够实现打印平面的自动矫正，避免在微纳尺度下的二维平面打印时出现液桥断触或者探针碰撞的现象，实现快速有效的微纳二维平面打印。

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印系统，其特征在于，包括设置在微纳打印机上的打印探针、打印基底、Z向粗调装置、XYZ向精调装置、信号采集器、离子电流放大器、主控制器和主机；

所述打印探针由纳米玻璃微探针内注入电解液并插入Cu电极组成；

所述打印基底为经过喷金处理的导电玻璃，所述打印基底的表面粗糙度小于0.01μm；

所述Z向粗调装置包括Z向微电机、以及与Z向微电机连接的微电机控制器；所述微电机控制器与主机连接；

所述XYZ向精调装置包括XYZ向压电陶瓷、以及与XYZ向压电陶瓷连接的压电陶瓷控制器；所述压电陶瓷控制器与主控制器连接；

所述打印探针与信号采集器连接，所述信号采集器通过离子电流放大器与主控制器连接；

采用微电机和压电陶瓷配合运动，通过信号采集器实时监测打印探针和打印基底间的电流信号，依据电流信号反馈，确定打印范围的第一个基点的三维坐标，然后抬起探针，移动XY方向，重复上述操作，获取打印区域其他三个角点的三维坐标；在获取到打印区域四个角点坐标后，通过拟合平面算法，求得该打印平面的法向量，将所需打印的模型生成打印扫描路径，结合平面的法向量和打印扫描路径得到复合型二维打印路径，实现微纳尺度的二维平面打印。

2.一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将打印探针内注入电解液并插入Cu电极固定在设备上，移动下方的打印基底，在打印探针出口与打印基底间形成连续稳定的微液桥，并在电场作用下微液桥内的金属离子还原为原子并堆积在打印基底上；

步骤2、采用微电机和压电陶瓷交互配合实现打印基底Z轴方向的精密移动，微电机作为移动打印平台的粗调机构，压电陶瓷作为移动打印平台的精调机构，两者采用先精调后粗调的方法，相互配合精准移动打印平台，使其与打印探针产生液桥连接；

步骤3、采用打印探针对打印基底上的打印区域取多点进行测量，通过拟合平面算法获取打印区域的法向量；

步骤4、将打印平面的法向量和模型的打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，将需要打印的模型生成其打印扫描路径，利用所获取的法向量与打印扫描路径合成基于该打印区域的路径轨迹，该路径和打印区域平面保存水平关系；将打印路径中均匀插入打印点，将打印点个数及坐标输入主控制器，生成压电陶瓷的控制指令；通过生成的指令控制压电陶瓷XYZ三轴运动，逐点打印，由点成线，由线成面，实现微纳尺度的二维平面打印。

3.根据权利要求2所述的一种基于玻璃微探针的二维结构微纳尺度快速打印方法，其特征在于，在步骤3中，打印探针在获取打印区域法向量的步骤如下：

a、将打印探针和打印基底安装于所用的微纳打印设备上，连接好所需设备，手动调节移动打印基底的XY方向，使探针尖端在打印区域的正上方，确定本次打印基点的XY轴位置；

b、驱动Z轴压电陶瓷向上缓慢移动0.05mm，在移动过程中若未检测到探针与打印基底接触，则在完成0.05mm的运动行程后对压电陶瓷，然后驱动Z轴微电机快速向上移动0.05mm，继续重复上述动作使打印平台不断逼近探针尖端；在移动过程中若检测到探针与打印基底接触，即找到工作区，则离开停止驱动压电陶瓷，然后记录此刻Z轴微电机和Z轴压电陶瓷的位置状态；

c、通过步骤b获取打印的第一个基点坐标(0，0，z1)，然后驱动X轴压电陶瓷移动d1，重复步骤b，获取第二个测量点坐标(d1，0，z2)；然后驱动Y轴压电陶瓷移动d2，重复步骤b，获取第三个测量点坐标(d1，d2，z3)；然后驱动X轴压电陶瓷复位，重复步骤b，获取第四个测量点坐标(0，d2，z4)；

d、通过平面拟合算法，将获取的四个测量点坐标进行处理，最终得到打印区域的法向量。

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