[發明專利]用于高粘度導電材料打印的電場驅動噴射沉積3D打印裝置

在審

• 申請號: 201710524052.2
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107321986A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 蘭紅波;劉志浩;楊建軍;錢壘;趙佳偉;鄒淑亭;周賀飛
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B33Y30/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及增材制造和3D結構電子或者嵌入電子產品技術領域，特別是涉及一種用于高粘度導電材料打印的電場驅動噴射沉積3D打印裝置。

背景技術

嵌入式電子產品(功能性3D結構電子)是近年伴隨著增材制造技術的發展而出現的一種新型的電子產品(元器件)，該類電子產品的制造方法是，由3D打印結構層，并將傳感器、控制器、驅動器、天線、電池等電子元件同時嵌入到被打印的結構中，并將一些簡單的電路、連接電路等直接打印出來，最后通過打印封裝，真正實現功能性3D結構電子產品一體化制造，材料-結構-器件一體化制造。與傳統的電子產品相比，嵌入式電子產品具有：(1)結構緊湊、輕量化、免組裝、可靠性高、制造周期短、生產成本低；(2)多功能性，具有多種功能特性；(3)在某些特殊領域和極端環境例如航空航天、高密閉性產品(嵌入式電子產品整個外殼是一個無縫的整體，具有很好的防塵、防水的功能)等顯示出一些特有的優勢。

打印電路互聯和導電圖形是嵌入式電子產品3D最重要的工藝要素之一，目前可供打印的導電油墨主要包括納米銀導電墨水、導電銀漿、導電銅漿、碳納米管導電墨水等，高分辨導電圖形打印主要是采用納米銀導電墨水，但是納米銀導電墨水打印完成后需要進行燒結才能導電，一方面工藝復雜，生產成本高，尤其是限制了它在許多領域的應用。導電銀漿打印完成后一般不需要燒結后處理工序，就能導電，而且導電率高，使用方便。但是導電銀漿的粘度極高，一般其粘度超過5000cp，傳統的噴墨打印無法打印導電銀漿。采用壓力擠出工藝(無論是壓縮空氣或是直線步進電機產生壓力)，都面臨打印線寬過寬(毫米級)，無法實現微米尺度高分辨率圖形的打印，打印圖形的線寬粗糙度差的問題，不能滿足嵌入式電子產品3D打印的性能要求。盡管電流體動力噴射3D打印能夠實現高粘度材料高精度打印，但是在打印導電銀漿這種導電材料時，由于導電噴頭和襯底的距離非常小，在打印過程中“噴頭正極-液態導電材料-接收襯底負極”極容易形成閉合回路，出現打印材料與接收板之間短路放電現象，導致打印的穩定性較差，無法實現正常的打印。因此，迫切需要開發新的打印技術，解決諸如導電銀漿導電材料高精度打印的難題，滿足嵌入式電子產品3D打印的實際需求。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種用于高粘度導電材料打印的電場驅動噴射沉積3D打印裝置，實現高粘度導電材料微米尺度高精度高質量(打印圖形粗糙度低，形貌好，線光滑粗糙度高)打印；

本發明的具體實現方案為：(1)采用氣壓輔助液體出料。克服了電動注射技術灌料難，打印過程中，儲料筒內殘余氣體影響電動注射打印形貌的難題和由于儲料筒內殘余氣體，無法實現打印停止時終止出液，破壞打印形貌，浪費打印材料。(2)通過導電噴嘴連接高壓脈沖電源正極，接收板采用絕緣接收襯底，電場輔助液體形成泰勒錐，保證打印的高精度。克服了電流體動力噴射3D打印，“噴頭正極-液態導電材料-接收襯底負極”形成閉合回路，出現打印材料與接收板之間短路放電現象，無法實現正常的打印的問題。

具體的，本發明采用下述技術方案：

一種用于高粘度導電材料打印的電場驅動噴射沉積3D打印裝置，包括二維工作臺，二維工作臺上設置打印平臺，絕緣襯底吸附設置于打印平臺上，所述絕緣襯底上方對應設置噴射單元，所述噴射單元與Z向工作臺連接；

所述噴射單元包括打印噴頭，所述打印噴頭包括相互連接的導電噴嘴和儲料筒，所述導電噴嘴與高壓脈沖電源正極連接，所述儲料筒與背壓控制單元連接。

進一步的，所述儲料筒為微注射器料筒。

進一步的，所述導電噴嘴為武藏式針頭，導電噴嘴的內徑為10μm-1000μm。

優選的，所述導電噴嘴與絕緣襯底之間的高度距離范圍是100μm-3000μm。

所述高壓脈沖電源的輸出脈沖電壓范圍為0-8KV，輸出脈沖頻率范圍為10Hz-3000Hz。

進一步的，所述背壓控制單元包括精密調壓閥，精密調壓閥一端與儲料筒連接，精密調壓閥另一端與壓縮空氣源連通。

進一步的，所述精密調壓閥的工作壓力范圍是：0.1-8bar；為噴頭提供穩定且精確可調的氣動壓力來驅動流體。

進一步的，所述打印平臺內設置電加熱裝置，所述電加熱裝置為電加熱棒或電加熱片，電加熱裝置可以通過對打印材料進行加熱，實現打印材料快速固化。

一種用于高粘度導電材料打印的電場驅動噴射沉積3D打印裝置，包括二維工作臺，二維工作臺上設置打印平臺，絕緣襯底吸附設置于打印平臺上，所述絕緣襯底上方對應設置噴射單元，所述噴射單元與Z向工作臺連接；