CN116945788A - 一种基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，属于喷墨打印技术领域。解决了现有喷墨打印技术中，对于体积较大的基板，利用加热器加热的方式实施困难并且成本较高，不能实现更精准的优化纳米微粒分布的问题。本发明的喷墨打印沉积调控方法，先构建集成激光器和喷墨打印系统的沉积系统，然后调控喷墨打印的液滴，在目标靶面上进行喷墨打印，激光器的激光照射点和液滴的沉积点的相对位置小于等于0.5mm，最后对得到的沉积薄膜进行烧结，得到纳米微粒薄膜。本发明的方法，基于激光加热，能够精确的控制目标靶面温度分布、液滴的温度分布和液滴内部流动，进而控制微粒分布。
Description
技术领域
本发明属于喷墨打印技术领域，具体涉及一种基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法。
背景技术
喷墨打印沉积技术是一种高效、绿色的功能材料原位、快速、按需制造技术，因其具备核心设备体积小、控制简单方便、噪音低等优点，在医学、微电子、增材制造等领域应用广泛。喷墨打印沉积技术的原理是将功能材料制成纳米微粒并分散在有机溶剂中，通过喷头生成微尺度液滴并沉积在目标靶面上，液滴间交融形成连续线路，有机溶剂蒸干后得到纳米微粒薄膜(纳米微粒薄膜)。纳米微粒薄膜的沉积质量(沉积均匀程度等)主要受到有机溶剂蒸干过程中液滴内部流动造成的纳米微粒输运的影响，其中由毛细流造成的咖啡环效应是导致薄膜沉积质量变差的主要原因之一，近年来有许多研究都在利用各种方法削弱咖啡环效应的影响。
通过基板加热的方法能够一定程度上抑制咖啡环的形成，而最常用的喷墨打印目标靶面的加热方法是利用加热器对整个基板进行加热。然而，该方法要加热整个基板，对基板的承温能力具有很高的要求；而且对于体积较大的基板，该加热方式实施困难并且成本较高；除此之外，该加热方法无法根据液滴蒸发的需求灵活控制基板的温度梯度，进而无法对液滴蒸发过程内部流动进行灵活调控，不能实现更精准的纳米微粒分布的优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，该方法将激光器集成到喷墨打印设备中，采用激光局部加热目标靶面或直接加热液滴的方式生成需求的温度梯度，对喷墨打印纳米微粒薄膜沉积线路进行精准调控。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，包括以下步骤：
步骤一、构建沉积系统
所述沉积系统包括喷墨打印系统、激光系统、运动系统和控制系统；
喷墨打印系统包括喷头、压电陶瓷、可调正负压气源、墨水储液瓶和信号发生器，墨水储液瓶一端与可调正负压气源连接，另一端与喷头连接，压电陶瓷固定在喷头内，信号发生器连接压电陶瓷，可调正负压气源调节压力，使储存在墨水储液瓶中的喷墨打印墨水填充满喷头，信号发生器发送驱动脉冲信号给压电陶瓷，压电陶瓷发生形变挤压喷头中的喷墨打印墨水，产生液滴用于喷墨打印；激光系统包括激光器和透镜，透镜固定在激光器出射激光的光路上；运动系统包括夹紧机构和运动机构，夹紧机构固定在运动机构上，且在运动机构的带动下实现在X轴移动、Y轴移动、Z轴移动、X轴旋转和Y轴旋转五个自由度的运动，夹紧机构用于固定目标靶面；控制系统与压电陶瓷、激光器、透镜、运动系统均连接，控制系统通过实时调控压电陶瓷的驱动脉冲波形调控液滴，控制系统通过控制激光器和透镜控制出射激光的输出功率和光斑大小；控制系统对运动系统发出控制指令，运动系统按照控制指令带动目标靶面实现运动；
步骤二、调控喷墨打印的液滴
将喷墨打印墨水置于墨水储液瓶中，控制器调控喷头内置压电陶瓷的驱动脉冲波形，使喷头生成稳定的液滴；
步骤三、喷墨打印
根据待制备的沉积图案进行喷墨打印，在目标靶面上形成沉积薄膜，打印过程中，通过控制系统控制运动系统运动，保证激光器的激光照射点和液滴的沉积点的相对位置小于等于0.5mm，通过控制系统控制激光器和透镜调控激光功率和光斑大小，使出射激光能够蒸干液滴中的有机溶剂且并不会烧蚀液滴中的纳米微粒；
步骤四、激光烧结沉积薄膜
通过控制系统调控激光器和透镜的激光功率和光斑大小，以与步骤三中喷墨打印时相同的出射激光轨迹，对步骤三制备的沉积薄膜进行激光烧结，得到纳米微粒薄膜。
进一步的，所述步骤一中，喷头的喷口的直径最小至40μm，最大至100μm。
进一步的，所述步骤二中，喷墨打印墨水通过以下方法制备：将功能材料均匀分散在有机溶剂中，得到喷墨打印墨水。
进一步的，采用超声分散的方式实现均匀分散。
进一步的，所述步骤三中，激光照射点在液滴沉积点后方0.5mm，当液滴沉积后，出射激光直接照射在液滴的表面，蒸干液滴中的有机溶剂。
进一步的，所述步骤三中，激光照射点在液滴沉积点前方0.5mm，出射激光先加热目标靶面，液滴沉积在加热后的目标靶面上后，利用目标靶面的热量使液滴中的有机溶剂蒸干。
进一步的，所述步骤三中，通过调控不同的激光功率按照打印线路进行打印，观察沉积薄膜中的纳米微粒在激光作用下的纳米微粒分布特性，当纳米微粒能够均匀的铺满整个打印线路时，此激光功率为能够蒸干液滴中的有机溶剂且并不会烧蚀液滴中的纳米微粒的出射激光。
本发明的原理是：本发明的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法通过调整激光照射点和液滴沉积区域的相对位置，保证激光照射到目标靶面后，目标靶面形成中间温度高、向两边温度缓慢递减的温度分布，液滴沉积后在该温度分布的目标靶面下，调控内部流动并蒸干有机溶剂，最终得到微粒均匀沉积的纳米微粒薄膜，或者通过调整激光照射点和液滴沉积区域的相对位置，直接照射沉积后的液滴，调控液滴内部流动并蒸干有机溶剂，最终得到微粒均匀沉积的纳米微粒薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，基于激光加热，能够精确的控制目标靶面温度分布、液滴的温度分布和液滴内部流动，进而控制纳米微粒分布。除此之外，因为激光只加热目标靶面的表面或液滴，因此能够解决大体积物体不好加热的问题，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法制备的不同激光功率下的氧化铝纳米微粒薄膜的形貌；
图2为本发明实施例2的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法制备的不同激光功率下的铜纳米微粒薄膜的形貌；
图3为本发明的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法搭建的沉积系统的结构示意图；
图4，图3中的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法搭建的沉积系统的坐标系的示意图；
图中，1、喷嘴，2、液滴，3、沉积薄膜，4、激光器，5、透镜，6、目标靶面，7、运动系统。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，步骤如下：
步骤一、构建沉积系统
如图1所示，沉积系统将激光系统集成在了喷墨打印系统上，具体包括喷墨打印系统、激光系统、运动系统7和控制系统；
喷墨打印系统包括喷头1、压电陶瓷、可调正负压气源、墨水储液瓶和信号发生器；墨水储液瓶一端与可调正负压气源连接，另一端与喷头1连接，压电陶瓷固定在喷头1内，信号发生器连接压电陶瓷；可调正负压气源调节压力，使储存在墨水储液瓶中的喷墨打印墨水填充满喷头1，信号发生器发送驱动脉冲信号给压电陶瓷，压电陶瓷发生形变挤压喷头1中的喷墨打印墨水，按需产生稳定的液滴2用于打印；喷头1为可更换设计，其喷口直径最小至40μm，最大至100μm，可按实际需求生成不同直径的液滴2；
激光系统包括激光器4和透镜5，透镜5固定在激光器4出射激光的光路上；在喷墨打印阶段，激光器4出射的激光经透镜5后，照射沉积在目标靶面6上的液滴2或目标靶面6，快速蒸干液滴2中的有机溶剂，使液滴2中的纳米微粒沉积在目标靶面6上，形成沉积薄膜3，并且对沉积薄膜3进行激光烧结，形成致密的纳米微粒薄膜；
运动系统7包括夹紧机构和运动机构，夹紧机构固定在运动机构上，且在运动机构的带动下在五个自由度运动(即：X轴移动、Y轴移动、Z轴移动、X轴旋转、Y轴旋转，通常由三个位移平台和两个旋转平台组合，以喷头1的轴向为Z轴，水平方向为X轴，X轴、Y轴和Z轴两两垂直，如图4所示)的运动；夹紧机构用于固定目标靶面6，防止目标靶面6在运动过程中发生偏移；
控制系统主要包含信号传输模块，控制系统与压电陶瓷、激光器4、透镜5、运动系统7均连接；控制系统通过实时调控压电陶瓷的驱动脉冲波形调控液滴2的生成；控制系统根据目标靶面6或液滴2的加热需求、以及喷墨打印墨水中的纳米微粒烧结需求，通过控制激光器4和透镜5控制出射激光的输出功率和光斑大小，实现液滴2中有机溶剂蒸干和纳米微粒薄膜的导电功能；控制系统控制运动系统7按照控制系统的控制指令带动目标靶面6实现运动(运动速度、运动位移和旋转角度)，进而实现喷墨打印参数(打印点间距、打印高度和打印速度)，以及目标靶面6和喷头1间相对位置和相对角度的控制，进而保证目标靶面6上能够制备出高质量纳米微粒薄膜。
步骤二、配制喷墨打印墨水
将功能材料均匀分散在有机溶剂中，得到喷墨打印墨水；
需要说明的是，功能材料和有机溶剂没有特殊限制，可依据本领域技术人员实际需求设置，均匀分散的设备没有特殊限制，超声分散的均匀程度和稳定性较好，所以优选超声分散的方式实现均匀分散。
步骤三、调控喷墨打印的液滴2
将喷墨打印墨水置于墨水储液瓶中，调控喷头1内置压电陶瓷的驱动脉冲波形，不同的驱动脉冲波形对应不同的生成液滴2的形态；通过调整驱动脉冲波形使喷头1生成均匀、稳定、不含卫星液滴的液滴2。
步骤四、激光喷墨打印
根据待制备的沉积图案进行喷墨打印，在目标靶面6上形成沉积薄膜3；
打印过程中，通过控制系统控制运动系统7移动，保证激光器4的激光照射点和喷头1的液滴2的沉积点的相对位置小于等于0.5mm，通过控制系统控制激光器4和透镜5调控激光功率和光斑大小，使出射激光能够蒸干液滴2中的有机溶剂且并不会破坏(不会烧蚀)液滴中的功能材料；
需要说明的是，根据打印需求选择激光蒸发溶剂的模式，当需要直接利用激光加热液滴2中的有机溶剂使其快速蒸干时，激光照射点在液滴2沉积点后方0.5mm，即当液滴2沉积后，激光直接照射在液滴2的表面，蒸干溶剂；当需要利用目标靶面6的热量使有机溶剂蒸干时，激光照射点在液滴2沉积点前方0.5mm，即激光先加热目标靶面6，液滴2沉积在加热后的目标靶面6上，利用目标靶面6余温蒸干有机溶剂；
需要说明的是，确定激光功率的方法为：通过调控不同的激光功率按照打印线路进行打印，观察沉积薄膜3中的纳米微粒在激光作用下的纳米微粒分布特性，当纳米微粒能够均匀的铺满整个打印线路时，此激光功率为能够蒸干液滴中的有机溶剂且并不会烧蚀液滴中的纳米微粒的出射激光。需要说明的是，激光功率会影响目标靶面6的温度大小和温度梯度，影响有机溶剂的蒸发速率与内部流动，进而影响沉积薄膜3的纳米微粒沉积特性。当激光加热后目标靶面6的温度过低时，有机溶剂无法完全蒸干，纳米微粒沉积均匀性调控不理想；当激光加热后目标靶面6的温度过高时，纳米微粒存在被烧蚀的风险，严重破坏沉积质量。
步骤五、激光烧结沉积薄膜3
通过控制系统调控激光器和透镜的激光功率和光斑大小，以与步骤三中喷墨打印时相同的出射激光轨迹，对步骤三制备的沉积薄膜进行激光烧结，得到纳米微粒薄膜。
在本发明中所使用的术语，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，除非另有说明。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂、装置、仪器、设备等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法：
步骤一、按照质量分数为3％将氧化铝加入有机溶剂(质量比为1:1的乙二醇和异丙醇的混合溶剂)中，超声分散均匀，得到喷墨打印墨水；
步骤二、将喷墨打印的印墨水置于墨水储液瓶中，调控喷头1内置压电陶瓷的驱动脉冲波形，生成稳定的直径为80μm的液滴2；
步骤三、采用喷墨打印墨水喷墨打印单排氧化铝纳米微粒，形成沉积薄膜3，液滴2间距为0.05mm，激光照射点先于液滴2沉积位置0.5mm。首先选择打印速度为10mm/s，激光功率为60W，光斑0.2mm，观察到氧化铝纳米微粒出现局部烧蚀的问题，如图1中上图所示，因此降低激光功率到20W，光斑从0.2mm增大到5mm，以消除氧化铝纳米微粒烧蚀问题，此外为了保证有机溶剂能够蒸干，降低打印速度为5mm/s，延长激光的加热时间。从图1中下图可以看出，优化后的参数能够实现较高质量氧化铝纳米微粒薄膜的沉积。
实施例2
基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法：
步骤一、按照质量分数为10％将铜加入有机溶剂(质量比为1:1的乙二醇和异丙醇的混合溶剂)中，超声分散均匀，得到喷墨打印墨水；
步骤二、将喷墨打印墨水置于墨水储液瓶中，调控喷头1内置压电陶瓷的驱动脉冲波形，生成稳定的直径为80μm的液滴2；
步骤三、采用喷墨打印墨水喷墨打印单排铜纳米微粒，液滴2间距为0.05mm，激光照射点先于液滴2沉积位置0.5mm，打印速度为10mm/s，激光功率为0W-60W，观察沉积薄膜3的形貌，如图2所示。从图2可以看出，激光功率从0W到60W，铜微粒分布均匀性逐渐优化，在激光功率为60W时，沉积质量最好，实现高质量铜纳米微粒薄膜的沉积。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建沉积系统
所述沉积系统包括喷墨打印系统、激光系统、运动系统(7)和控制系统；喷墨打印系统包括喷头(1)、压电陶瓷、可调正负压气源、墨水储液瓶和信号发生器，墨水储液瓶一端与可调正负压气源连接，另一端与喷头(1)连接，压电陶瓷固定在喷头(1)内，信号发生器连接压电陶瓷，可调正负压气源调节压力，使储存在墨水储液瓶中的喷墨打印墨水填充满喷头(1)，信号发生器发送驱动脉冲信号给压电陶瓷，压电陶瓷发生形变挤压喷头(1)中的喷墨打印墨水，产生液滴(2)用于喷墨打印；激光系统包括激光器(4)和透镜(5)，透镜(5)固定在激光器(4)出射激光的光路上；运动系统(7)包括夹紧机构和运动机构，夹紧机构固定在运动机构上，且在运动机构的带动下实现在X轴移动、Y轴移动、Z轴移动、X轴旋转和Y轴旋转五个自由度的运动，夹紧机构用于固定目标靶面(6)；控制系统与压电陶瓷、激光器(4)、透镜(5)、运动系统(7)均连接，控制系统通过实时调控压电陶瓷的驱动脉冲波形调控液滴(2)，控制系统通过控制激光器(4)和透镜(5)控制出射激光的输出功率和光斑大小；控制系统对运动系统(7)发出控制指令，运动系统(7)按照控制指令带动目标靶面(6)实现运动；
步骤二、调控喷墨打印的液滴(2)
将喷墨打印墨水置于墨水储液瓶中，控制器调控喷头(1)内置压电陶瓷的驱动脉冲波形，使喷头(1)生成稳定的液滴(2)；
步骤三、喷墨打印
根据待制备的沉积图案进行喷墨打印，在目标靶面(6)上形成沉积薄膜(3)，打印过程中，通过控制系统控制运动系统(7)运动，保证激光器(4)的激光照射点和液滴(2)的沉积点的相对位置小于等于0.5mm，通过控制系统控制激光器(4)和透镜(5)调控激光功率和光斑大小，使出射激光能够蒸干液滴(2)中的有机溶剂且并不会烧蚀液滴(2)中的纳米微粒；
步骤四、激光烧结沉积薄膜(3)
通过控制系统调控激光器(4)和透镜(5)的激光功率和光斑大小，以与步骤三中喷墨打印时相同的出射激光轨迹，对步骤三制备的沉积薄膜(3)进行激光烧结，得到纳米微粒薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，所述步骤一中，喷头(1)的喷口的直径最小至40μm，最大至100μm。
3.根据权利要求1所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，所述步骤二中，喷墨打印墨水通过以下方法制备：将功能材料均匀分散在有机溶剂中，得到喷墨打印墨水。
4.根据权利要求3所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，采用超声分散的方式实现均匀分散。
5.根据权利要求1所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，所述步骤三中，激光照射点在液滴(2)沉积点后方0.5mm，当液滴(2)沉积后，出射激光直接照射在液滴(2)的表面，蒸干液滴(2)中的有机溶剂。
6.根据权利要求1所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，所述步骤三中，激光照射点在液滴(2)沉积点前方0.5mm，出射激光先加热目标靶面(6)，液滴(2)沉积在加热后的目标靶面(6)上后，利用目标靶面(6)的热量使液滴(2)中的有机溶剂蒸干。
7.根据权利要求1所述的基于激光局部加热的喷墨打印沉积调控方法，其特征在于，所述步骤三中，通过调控不同的激光功率按照打印线路进行打印，观察沉积薄膜(3)中的纳米微粒在激光作用下的纳米微粒分布特性，当纳米微粒能够均匀的铺满整个打印线路时，此激光功率为能够蒸干液滴(2)中的有机溶剂且并不会烧蚀液滴(2)中的纳米微粒的出射激光。
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