TW202247991A - 利用噴射積覆噴嘴之快速傾斜的3d列印技術 - Google Patents

Abstract

一種用於列印例如由一氣溶膠噴射裝置或一噴墨列印機產生之一墨水之噴射流的方法及裝置。該列印頭在積覆時快速地迴旋、傾斜或旋轉以便在一基材上列印線或其他形狀。藉由遮斷該噴射流及/或使該基材相對該列印頭移動，可列印平行線及任意形狀。由該基材之頂面至底面之金屬線可包覆該基材之邊緣且不喪失電連接性。在一例子中可由一印刷電路板(PCB)列印多個連接至該PCB上之一積體電路。該積覆速率可超過50 mm/s，這表示可依據其長度及厚度列印超過25條線/秒。

Description

利用噴射積覆噴嘴之快速傾斜的3D列印技術

本申請案主張2021年5月17日申請且名稱為「利用氣溶膠噴嘴之快速傾斜的3D列印技術(3D PRINTING USING RAPID TILTING OF AEROSOL JET NOZZLE)」之美國暫時專利申請案第63/189,606號的優先權及利益，該專利申請案全部在此加入作為參考。

本發明係有關於利用輕量列印頭或噴嘴之角傾斜運動在一基材上產生形貌體及圖案的高速噴射列印技術的領域。由該噴嘴輸出之噴霧較佳地被準直超過數毫米，這較佳地足以列印固定線寬形貌體在毫米大小之階部、延伸平坦表面或其他表面形狀上。

請注意以下說明可參考許多公報及參考文獻。該等公報之說明在此係用於提供科學原理之更完整背景且不應被視為承認該等公報係用於決定可專利性之習知技術。

本發明之目的、優點及新特徵以及其他應用範圍在以下詳細說明中配合附圖說明一部份且所屬技術領域中具有通常知識者藉由檢視以下者可了解或可藉由實施本發明知道另一部份。本發明之目的及優點可藉由在申請專利範圍中特別指出之手段及組合來實現及獲得。

在本發明之一或多個實施例中，較佳地使用一或多個精密旋轉馬達來在一輕量列印頭或噴嘴之一角方位中產生快速動態擺動。與該基材之直線或旋轉位移一起，這可用於在一平坦或非平坦表面上列印形貌體，例如小行程形貌體。在一例子中，可在一基材之頂面、角及邊緣(側壁)表面上產生一連續導電線路。這由該頂部至該邊緣之連接通常稱為一「邊緣連接」。由該基材之頂部通過該邊緣且環繞至底面之連接通常稱為「包覆連接」。撓性管較佳地連接在該積覆頭上(例如1/8"OD塑膠管)且提供具有可忽略之慣性推送或載運流及鞘流。在全部說明書及申請專利範圍中使用之用語「噴射流」表示可被推進至一表面之任何墨水流，包括但不限於一氣溶膠噴射流，例如一墨水液滴之噴霧(可選擇地包含在懸浮液中之固體材料)、可藉由一載運氣體運送之微細固體顆粒或其混合物、或例如由一單孔噴射分配器或一多孔噴墨分配器射出且未被挾帶在一載運氣體中之一液滴流。在全部說明書及申請專利範圍中使用之用語「列印頭」表示射出墨水或另一材料之列印頭、頭、噴嘴、積覆噴嘴、注射器及分配頭等。在全部說明書及申請專利範圍中使用之用語「使該基材及該列印頭相對移動」或類似語言表示使該基材及該列印頭中之一或兩者朝一或多個直線及/或角(旋轉)方向或其組合移動。在全部說明書及申請專利範圍中使用之用語「形貌體」表示形貌體、線、圖及形狀等。

圖1顯示一典型噴射列印組態，其中噴霧產生器1使一墨水霧化且透過管15供應該噴霧至列印頭27，該列印頭將該噴霧集中成撞擊基材14之一窄噴射流29。當基材14朝方向5相對列印頭27移動時畫出墨水線3。在某些自動化組態中該列印頭在一或多個軸上直線地移動且可相對該基材定向在一固定角度。該噴射流對該基材之入射角通常係垂直且較佳地在法線之45度內。

圖2A與2B係本發明之一第一實施例的變化。圖2A顯示透過安裝件16附接在軸桿18上之列印頭2，使得列印頭2可使用旋轉驅動器17樞轉。安裝件16較佳地組配成使得噴射流4朝與旋轉軸7垂直之一平面射出。但是，可預期的是在某些情形中有利的是安裝件16將列印頭2定向成與旋轉軸7非垂直使得在環繞旋轉軸7樞轉時噴射流4掃出一錐體。可使用任何產生列印頭2之樞轉運動，且較佳的是列印頭2之快速擺動的裝置。圖2B顯示藉由管15連接至列印頭2之噴霧產生器1，該列印頭環繞旋轉軸7樞轉，使噴射流4快速地掃過該基材14，藉此列印線11。列印頭2可在列印時環繞一或多個軸且較佳地環繞安裝件16動態地樞轉。在全部說明書及申請專利範圍中使用之用語「樞轉」表示旋轉、擺動、迴轉、樞轉及傾斜等。該噴嘴樞轉角只受限於該旋轉軸之極限且可在0與360°之間變化。例如，該噴嘴之樞轉可用於在一基材之頂部列印且接著樞轉以便在該基材之背側列印。圖中所示之噴嘴樞轉範圍在此顯示為小於90°，這只是為了清楚顯示且不應被視為限制本發明。圖2C至2D顯示包含列印多數線54之複數列印頭52的本發明之一實施例。列印頭52係透過安裝件116附接在軸桿118上使得列印頭52可使用旋轉驅動器117樞轉。安裝件116較佳地組配成使得該等噴射流朝與旋轉軸67垂直之一平面射出。但是，可預期的是在某些情形中有利的是安裝件116將列印頭52中之一或多個列印定向成與旋轉軸67非垂直使得在環繞旋轉軸67樞轉時該(等)噴射流掃出一錐體。該等列印頭可如圖所示地環繞一共用旋轉軸67樞轉，或各列印頭可環繞一個別旋轉軸樞轉(未圖示)。這實施例之該等複數列印頭可用於多工，例如同時地列印平行形貌體以增加有效處理量，或藉由使用各噴嘴逐行掃描以依據獨立遮斷順序列印不同形貌體。

如圖2B所示，該列印線之長度受限於當該頭傾斜時間隙之變化。即，當列印頭2與一平坦基材正交時，該間隙，即噴射流4之長度或由該列印頭2之尖端至該平坦基材間之距離係最小值。當該頭樞轉時，由該尖端至該基材之該間隙距離因由列印頭2之尖端描畫之弧而增加。通常有若超過則該列印形貌體之品質無法接受的某個最大傾斜角、最大噴射流長度及最大線長度。圖2E顯示列印頭2在一內彎曲表面47上列印。若表面47呈圓形且旋轉軸7與該表面之曲率軸平行且同軸，當列印圓周線49時，該間隙距離固定且與傾斜角無關。若該旋轉軸與一外表面同軸且該頭分配在該外彎曲表面上，則該間隙距離亦固定。列印在彎曲表面上例如在一捲對捲列印系統中是有利的。

圖3A與3B顯示本發明之另一實施例，其顯示沿著基材14之邊緣表面10及頂面13進行快速地積覆該分配噴射流4以產生邊緣連接。該等邊緣連接係藉由環繞旋轉軸7樞轉之一軸桿6來列印，在這情形中該旋轉軸係與該基材之X軸平行。該樞轉使列印頭2傾斜，藉此使該分配噴射流4移動以便沿著基材14之頂面13及側表面10列印各線8，在所示實施例中當列印各線8時該基材較佳地保持不動。當該頭樞轉時，噴射流4掃過YZ平面，使該噴射流橫越該基材之表面並列印各線8。在這實施例中一線先朝+Z方向列印在側表面10上，接著朝該+Y方向列印在頂面13上，然後樞轉方向反轉以朝-Y方向列印在頂面13之該積覆線上，且最後朝-Z方向列印在側表面10上。當該噴射流瞄準位置12使得它偏離基材14列印時，基材14較佳地朝-X方向步進該線8之期望間距，且接著列印下一條線。列印頭2或基材14中之一者或兩者可相對步進以產生後續線。這列印之方法不需要墨水積覆之中斷，稱為遮斷，但對每一線而言它需要兩次掃程。

由該頂面沿該邊緣表面向下到該底面包覆列印線可以各種方式完成，該等方式包括但不限於： 翻轉該基材(環繞Y軸旋轉)並重複該列印程序且在該側壁上之新線對齊第一次掃程中列印之線； 使該基材環繞X軸旋轉以暴露該等底面及側表面於該噴射流並藉由適當樞轉該列印頭來重複該列印程序；或 使該基材相對該列印頭垂直地(+Z)移動並使該頭樞轉以列印在該等側表面及底面上。

在本發明之其他實施例中，配合該噴嘴之角傾斜及該基材之協同直線及/或角位移，加入快速遮斷以中斷該噴射流之積覆。遮斷可包括但不限於下列中之一或多者： 機械遮斷，因此在該噴射流離開該列印頭前或後被實體地阻擋； 外遮斷，因此該噴射流在離開該列印頭後氣動地分流； 內遮斷，因此該噴射流在離開該列印頭前氣動地分流；或 脈衝遮斷，因此該噴射流在該列印頭內或到達該列印頭前被短暫地延遲。

圖4顯示被一內遮斷器(未圖示)中斷且沿著一基材14之表面列印線的噴射流4。邊緣連接係藉由快速地傾斜與軸桿6連接之列印頭2來列印，且該軸桿環繞旋轉軸7樞轉。該樞轉使該列印頭2朝一方向轉動且由點22列印一線至點24。接著當該基材朝該-X方向移動距離28時在列印掃程之間藉由遮斷來中斷該積覆。接著朝相反方向樞轉列印頭2並由點26列印至點30。加入快速遮斷容許在一單一掃程而非圖3A至3B所示之無遮斷情況所需的二掃程中列印各線。

藉由組合該列印頭之快速樞轉與在列印間之該基材的直線運動，可在平坦或3D基材上畫線。圖5顯示由下基材33列印3D線至上基材31的一例子。列印頭2在水平表面32與34及垂直表面40上列印噴射流4。若藉由環繞旋轉軸7樞轉該列印頭提供之朝Y方向的有限列印範圍足夠，則不需要該基材之Y軸運動，因此明顯地減少自動化成本。或者，一較低成本Y平台可證明足以使該基材在列印位置間位移。這列印圖案用於例如列印由一印刷電路板(PCB)達到安裝在該板上之一積體電路(IC)晶粒的電氣連接。大約25條線/秒(90,000條線/小時)之一列印速度比用於與積體電路產生連接之最快電流線接合技術(70,000條連接/小時)有利，且相對30,000條連接/小時之典型線接合速率非常有利。

藉由組合列印頭2之樞轉與上基材31及下基材33之位移可在平坦或3D基材上畫出任意形狀之線，如圖6所示。在一例子中，當在下基材33上列印線部份42時朝X方向移動該等基材。列印頭樞轉與使該基材及該列印頭朝一或多個直線(X、Y及/或Z)方向及/或通過φ及θ角相對移動的組合容許在一任意形狀物體上列印一任意圖案。

若移動該基材，則該基材之運動，特別是該基材之加速度宜最小化，特別是當該基材很重、龐大、易碎及/或容易變形時。圖7顯示基材14朝-X方向37連續地運動。可調整旋轉軸8之方向及列印頭2之樞轉速度以配合朝X方向之運動，藉此列印與Y軸或其他期望路徑平行之一線。

在本發明之另一實施例中，該列印頭係環繞二軸樞轉，藉此提供在一有限面積上列印一任意圖案之能力。圖8顯示控制列印頭2之方位的具有軸62與64之一雙環架。列印頭2環繞這些軸之協同樞轉容許在基材14上列印任意圖案。在本發明之另一實施例中，環繞三軸同時旋轉該列印頭係用於使該等環架軸62與64進入用於在一3D部件上列印之更有利方位。

在全部實施例中，該基材及/或該列印頭相對移動之X、Y、Z、φ及θ移動可配合該列印頭在列印時或在一基材上之列印位置間移動時的一或多次旋轉。在某些情形中，使該列印頭環繞二或三軸旋轉可大幅增加列印程序之速度及/或不需要一高性能平台來使該基材或列印總成(即該列印頭及/或噴霧供應設備)移動。或者，當該列印頭在一或多個軸上旋轉且在一或多個軸上直線地位移時可獲得相同結果。

在本發明之另一實施例中，使用一電動關節或萬向接頭來使該積覆頭朝一或多個角方向旋轉。該電動關節取代提供環繞該等旋轉軸之旋轉的馬達。一雙軸電動關節可在該基材之全部四邊緣上列印或由一PCB達到一積體電路晶粒之任一邊緣(或達到全部四邊緣)列印該等連接，如圖5所示。該線之整體列印速率可超過該之直線位移10倍或10倍以上。使用快速馬達及/或低慣性列印頭較佳地達到大約25 mm/s以上之積覆速率。當例如需要多次掃程來增加一窄線之高度時或當用集中在一小積覆點之噴射流在一大面積上積覆一薄塗層時，高積覆速率是較佳的。用小尖端出口孔及/或小間隙距離較佳地獲得窄線。 例子

圖9至13顯示依據本發明產生之結果，其中一奈米銀墨水被列印在該玻璃基材之頂部及邊緣。 例1 在圖9中，藉由具有一300 μm噴嘴或尖端之一Optomec Sprint™列印頭使用35 sccm推送流及60 sccm鞘流列印間距200 μm、寬度100 μm之線。圖9中長度1 mm之線係以25條線/秒之一速率用超過大約50 mm/s之一積覆直線速度來列印以容許該基材之來回運動及直線運動。該列印頭樞轉大約+/-10度以列印該等毫米長度線。該旋轉軸靠近該列印頭之尖端出口且具有3 mm之一尖端至基材間距。(在其他實施例中當該旋轉軸在該尖端出口上方或該出口至基材距離係＞3 mm時，該角樞轉較佳地係＜10°)。

圖10A與10B顯示圖9中之線的二維厚度圖，其中該陰影定性地表示該積覆物之局部厚度。該基材顯示大約9.3微米之一高度且該等列印線延伸至10.3微米之一高度，因此顯示厚度大約1微米之線。圖10C顯示沿著圖10A與10B所示之線之高度的一定量圖。該等線之大約450微米長度係因為該1 mm長度之剩餘部份向下包覆該基材之邊緣表面。 例2

圖11A顯示藉由傾斜該頭比用於產生例1之線大的一範圍來產生長度大於10 mm之線。雖然由該尖端至該基材之距離隨著該傾斜角變化，但該線之寬度仍可接受地一致。圖11B顯示在該基材之頂部與邊緣上之線的放大圖。 例3

圖12與圖13顯示在頂面82及邊緣表面84上長度1 mm、寬度80 μm、高度1 μm之銀線，該等銀線在該玻璃之角上電氣地連續且在該玻璃之角上具有1.9歐姆之一電阻。圖13顯示使用一兩點探測法由該玻璃之頂面至該邊緣表面測試電連續性。該電阻可以多種方式減少，例如：藉由列印較厚線、使用一不同墨水配方、改變用於燒結該墨水之參數、使該基材之角圓化等。

請注意在說明書及申請專利範圍中，「大約」或「大略」表示在所述數值量之百分之二十(20%)內。除非上下文中另外清楚地表示，在此使用之單數形「一」及「該」包括複數參考對象。因此，例如，關於「一官能基」表示一或多個官能基且關於「該方法」表示關於所屬技術領域中具有通常知識者可了解之等效步驟及方法等。

雖然特別參照揭示之實施例詳細地說明了本發明，其他實施例可達成相同結果。本發明之變化例及修改例對所屬技術領域中具有通常知識者可為顯而易見且意圖涵蓋全部該等修改例及等效物。上述全部專利及公報之全部揭示因此加入作為參考。

1:噴霧產生器 2,27,52:列印頭 3:墨水線 4:噴射流 5:方向 6,18,118:軸桿 7,8,67:旋轉軸 8,11,54:線 10:邊緣表面；側表面 12:位置 13,82:頂面 14:基材 15:管 16,116:安裝件 17,117:旋轉驅動器 22,24,26,30:點 28:距離 29:窄噴射流 31:上基材 32,34:水平表面 33:下基材 37:-X方向 40:垂直表面 42:線部份 47:表面 49:圓周線 62,64:軸 84:邊緣表面

加入且形成說明書之一部份的附圖顯示本發明實施例之實施且與該說明一起用於解釋本發明之原理。該等圖只是用於顯示本發明之某些實施例且不應被視為限制本發明。在圖中：

圖1顯示該基材在一固定列印頭下方移動之典型氣溶膠噴射列印技術。

圖2A係附接在一旋轉軸上之一個別列印頭的圖。

圖2B顯示藉由傾斜一列印頭在該基材上列印一線。

圖2C係附接在一旋轉軸上之多數列印頭的圖。

圖2D顯示用多數傾斜列印頭列印。

圖2E顯示列印在一彎曲表面上。

圖3A至3B係顯示當該積覆頭/噴嘴移動時該積覆頭/噴嘴進行樞轉運動以在一基材之頂側及邊緣列印邊緣連接的示意圖。

圖4係利用列印可被一閘門中斷之一噴射流的一列印路徑的示意圖。

圖5係顯示被列印在一更複雜表面上之線的一列印路徑的示意圖。

圖6係顯示配合該基材沿著X軸之一直線移動來傾斜列印頭以列印更複雜圖案的示意圖。

圖7係顯示當該列印頭傾斜時該基材連續運動之示意圖。

圖8係顯示該列印頭相對二軸傾斜之示意圖。

圖9係顯示用25條線/秒列印在一厚度1 mm之載玻片頂部及邊緣上之線的顯微照片。

圖10A係圖9中之線的一厚度圖。

圖10B係圖9中之線的一立體厚度圖。

圖10C係圖9所示之厚度1 μm之線的線厚度剖面圖。

圖11A係顯示使用一大角度傾斜列印之長度10 mm、間距200 μm之線的顯微照片。

圖11B係靠近樣本邊緣之圖11A之線的更高倍率放大圖。

圖12係在玻璃之頂及邊緣上之銀線的顯微照片。

圖13係由玻璃之頂側觀察之一兩點電阻測量裝置且亦顯示該玻璃之邊緣的顯微照片。

1:噴霧產生器

2:列印頭

4:噴射流

7:旋轉軸

11:線

14:基材

15:管

16:安裝件

Claims (34)

1. 一種列印包含墨水之形貌體的方法，該方法包含在積覆包含該墨水之一噴射流時使一第一列印頭樞轉，藉此在一第一基材上列印一第一形貌體。
2. 如請求項1之方法，其中該第一形貌體係在該第一列印頭樞轉時由該第一列印頭界定之一平面中。
3. 如請求項1之方法，其中該第一列印頭可朝任一樞轉方向樞轉達到180°。
4. 如請求項1之方法，更包含： 使該第一基材及該第一列印頭相對移動；及 在該第一基材上列印一第二形貌體。
5. 如請求項4之方法，其中該第一形貌體係一第一直線且該第二形貌體係與該第一直線平行之一第二直線。
6. 如請求項4之方法，其中使該第一基材及該第一列印頭相對移動係當該噴射流未瞄準該第一基材時實行。
7. 如請求項6之方法，其包含在二掃程中列印各形貌體使得該噴射流在該第二掃程結束時未瞄準該第一基材。
8. 如請求項4之方法，其包含當使該第一基材與該第一列印頭相對移動時遮斷該噴射流。
9. 如請求項8之方法，其中該第一形貌體及該第二形貌體各在一掃程中列印。
10. 如請求項1之方法，其中該第一形貌體由該第一基材之一頂面延伸至該第一基材之一邊緣表面。
11. 如請求項10之方法，其中該第一形貌體包含一導電材料且該線維持環繞該頂面與該邊緣表面間的該第一基材之一角的電連續性。
12. 如請求項10之方法，其中該第一形貌體更延伸至該第一基材之一底面。
13. 如請求項12之方法，其中該第一形貌體包含一導電材料且該第一形貌體維持環繞該邊緣表面與該底面間的該第一基材之一角的電連續性。
14. 如請求項1之方法，其中該第一形貌體由該第一基材之一頂面延伸至設置在該第一基材上的一第二基材之一邊緣表面。
15. 如請求項13之方法，其中該第一形貌體更延伸至該第二基材之一頂面。
16. 如請求項14之方法，其中該第一基材包含一印刷電路板(PCB)且該第二基材包含安裝在該PCB上之一積體電路(IC)晶粒。
17. 如請求項1之方法，其中除了使該第一列印頭樞轉以外，列印該第一形貌體不需要使該第一基材及該第一列印頭相對移動。
18. 如請求項1之方法，更包含使該第一列印頭環繞一第二旋轉軸樞轉。
19. 如請求項1之方法，其中該第二旋轉軸與該第一旋轉軸垂直。
20. 如請求項18之方法，其中該第一旋轉軸及該第二旋轉軸係由一雙環架提供。
21. 如請求項1之方法，其用大於大略25 mm/s之該噴射流的一積覆速率來實行。
22. 如請求項21之方法，其用大於大略50 mm/s之該噴射流的一積覆速率來實行。
23. 如請求項1之方法，更包含使二或二個以上列印頭樞轉。
24. 如請求項23之方法，其包含使該第一列印頭及一第二列印頭獨立地樞轉。
25. 如請求項24之方法，其中使該第一列印頭及該第二列印頭獨立地樞轉包含使該第一列印頭及該第二列印頭環繞不同旋轉軸樞轉。
26. 如請求項23之方法，更包含獨立地遮斷該第一列印頭及該第二列印頭。
27. 如請求項1之方法，其中該第一基材彎曲。
28. 如請求項27之方法，其中該第一基材之一曲線呈圓形。
29. 如請求項28之方法，其中當該第一列印頭之一旋轉軸與該圓形表面之一曲率軸平行且同軸時，該第一列印頭與該圓形表面間之一間隙距離在該第一列印頭樞轉時固定。
30. 如請求項1之方法，其中該噴射流包含一氣溶膠噴射流或一墨水噴射流。
31. 如請求項1之方法，其中該形貌體包含一導電材料且包含一電氣邊緣連接、一電氣包覆連接或一電氣三維(3D)互連。
32. 如請求項31之方法，其中該形貌體包含二物體間之一3D互連，各該物體係選自於由一晶片、一印刷電路板(PCB)、一組件及一微型LED方塊構成之群組。
33. 如請求項31之方法，其中該形貌體包含用於一顯示基材之一180°包覆互連。
34. 如請求項33之方法，其中該基材係一玻璃基材或一撓性基材。

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