[發明專利]一種用于增減材制造的一體化噴印裝置

有效

• 申請號: 201710252260.1
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN107199693B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 黃永安;董必揚;葉冬;吳學洲
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B29C64/209;B29C64/307;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張建偉;曹葆青

本發明公開了一種集成等離子體射流技術的噴印裝置，該裝置包括噴頭、高壓電源、收集基板和進液筒。本發明利用高壓電源產生噴印工藝電場需求和作為等離子體射流的激勵源，并借助氣體放電產生等離子體射流，可在同一裝置上實現電流體噴印加工(增材加工)與等離子體刻蝕加工(減材加工)的聯合應用，包括在加工過程中用等離子體對電噴印材料進行實時表面改性、電噴印沉積材料的燒結固化、同步進行增減材加工以實現復雜圖案及多層結構的快速成型。本發明提出的噴印裝置能以組合方式或陣列方式應用，可用于大面積、多層、復雜結構的制備。本發明應用能帶來加工效率、材料性能的提升，在MEMS加工制造及電流體噴印領域都具有廣闊應用前景。

技術領域

本發明屬于噴印制造領域，具體涉及一種集成電噴印的增材加工方法與等離子體刻蝕的減材加工方法的噴印裝置與方法。

技術背景

噴墨打印技術是利用墨液的圖案化沉積來制備微納米結構器件的，被廣泛應用于微機電、太陽能電池、顯示面板、生物醫療等領域。電流體噴印技術應用電流體動力學機理，利用電場力將墨液從噴嘴口拉出形成泰勒錐，噴嘴處的帶電液滴會受到電場切應力的作用，當局部電場力超過液體表面張力后，帶電液體從噴嘴處噴射，然后破裂成液柱或者小液滴。通過改變流速、電壓、液體性質和噴嘴結構，可形成具有不同射流形狀和破碎機理的電流體噴印模式，即電紡絲、電點噴和電噴霧。

電噴印技術屬于增材制造技術，有著增材制造技術的以下優點：

(1)可多層噴印出復雜形狀的微結構，如凹槽、凸肩和復雜的內流道等。

(2)材料利用率高，尤其是對昂貴的稀有材料來說，可大大降低成本。

(3)可實現較高程度的數字化加工，人工干預小。

但是，單獨的增材制造工藝有時候也面臨著加工效率低下，需要進行表面二次處理，打印后需要其他方式進行燒結，靜電紡絲圖案化過程中難以切斷等諸多問題。在噴印制造過程中使用噴印墨液與待加工材料發生的理化反應以實現刻蝕是增減材復合制造方法之一，但是此種刻蝕方法可控性較差，且刻蝕液容易殘留，甚至有可能破壞局部結構，因此，設計出一套能進行增減材制造一體化的加工裝置能豐富加工模式，極大的提升加工效率。

等離子體刻蝕加工是進行減材加工的方法之一，其中，無掩膜的等離子體射流直寫工藝方法被廣泛應用于碳基材料的刻蝕加工，相比于傳統刻蝕工藝，它不需要光刻膠、掩膜、后處理、真空、高溫、潔凈等環境要求，而且成本低廉。其原理是利用氣體放電產生富含活性粒子的等離子體射流，如轟擊氦原子(氧原子)使其達到激發態(電離等)，激發態氦原子誘導氧氣形成臭氧，活性粒子與被刻蝕的材料相互接觸時，會發生化學反應，形成揮發性生成物而被去除。它的優勢在于刻蝕速率快、刻蝕表面無殘留物、可獲得良好的物理形貌。

高頻強電壓除將氣體放電產生富含活性粒子的等離子體射流外，還在局部產生較高的溫度場，高溫可將電流體噴印噴出的材料如銀納米顆粒墨液進行燒結固化，不但增加其導電性，且利于良好表面形貌的生成。