[發明專利]一種基于自激發靜電場驅動噴射沉積3D打印裝置、工作方法及其應用

有效

• 申請號: 202010956597.2
• 申請日: 2020-09-12
• 公開（公告）號: CN112122614B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 張廣明;王智;蘭紅波;黃輝;彭子龍;趙佳偉;宋道森
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B22F3/22
• 分類號: B22F3/22;B22F3/10;B22F5/00;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y80/00;B82Y30/00
• 代理公司: 鄭州意創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 41138
• 代理人: 張江森

本發明公開了一種自激發靜電場驅動噴射沉積3D打印裝置及打印超細銀網格的應用，其突破了現有材料噴射沉積3D打印在噴嘴材質、襯底材質、打印穩定性等方面的限制。整個系統只有一個電極，銅箔貼片與交流電源相連作為提取電極并且緊緊貼附纏繞在玻璃噴嘴肩部，銅箔貼片的參數由有限元模擬優化以提供最佳的電場聚焦效果，使在電壓較小情況下就能獲得足夠強度的電場。電源沒有與材料接觸，僅依靠靜電感應形成的電場力完成材料噴射，整個打印過程不受殘余電荷干擾，實現在超高分辨率情況下的穩定打印。在以高粘度納米銀漿作為打印材料時，實現了納米銀顆粒的單排定向排列，并且具有很大的高寬比，在單層銀線線寬為3μm時，高寬比仍可達到0.44。

技術領域

本發明涉及3D打印技術領域，特別涉及一種基于自激發靜電場驅動噴射沉積3D打印裝置、工作方法及其應用。

背景技術

材料噴射沉積3D打印是基于微滴噴射原理選擇性沉積成形材料的一種增材制造方法，目前國際上已經提出多種材料噴射沉積3D打印技術，主要包括噴墨打印、氣溶膠噴射、聚合物噴射、納米顆粒噴射技術等。但是，這些技術在制作銀網格透明電極時都有一定的缺陷。例如，噴墨打印目前面臨分辨率低的問題，線寬大于20μm，不能滿足觸控屏、OLED等諸多領域對于透明電極的要求，而且打印材料粘度受限，粘度通常被限定在30cP以下，無法實現高粘度、高銀含量納米銀漿的打印；氣溶膠打印雖然在打印精度，目前最高分辨率為5μm和打印材料粘度低于2500cP，有了很大的提高，但是現有的精度無法滿足OLED、觸控屏等高分辨率透明電極的要求(線寬一般低于5μm以下，最小線寬低于2μm)，并且設備成本非常高、打印材料受限；聚合物噴射技術打印精度低(線寬大于16μm)且打印材料僅限于樹脂；納米顆粒噴射技術在制造過程中需要使用高溫(300℃)將粘合劑蒸發，但是柔性透明電極經常使用的襯底PET只能承受120℃-150℃。

電流體動力噴射打印亦稱為電噴印，是基于電流體動力學的微液滴噴射成形沉積技術。其基本原理是在導電噴嘴(第一電極)和導電基板(第二電極)之間施加高壓脈沖電源，利用在噴嘴和基板之間形成的強電場力將流體從噴嘴口拉出形成泰勒錐，由于噴嘴具有較高的電勢，噴嘴處的流體會受到電致切應力的作用，當局部電荷斥力超過液體表面張力后，帶電流體從噴嘴處噴射，形成極細的射流(射流直徑通常比噴嘴尺寸小1-2個數量級)，微液滴噴射沉積在打印床之上，形成設定的形狀。因為使用電流體動力噴射打印技術制作銀網格時，能夠顯著提高打印結果的分辨率，并且可供打印的材料種類廣泛，所以該技術已經廣泛引用于有機太陽能電池、高清顯示、生物工程等諸多領域，顯示出較好的工業化應用前景。

與其它材料噴射沉積3D打印技術相比，盡管電流體動力噴射3D打印在諸多方面具有非常顯著和突出的優勢，但是仍然存在許多的不足和局限性，主要包括：(1)噴嘴材料受限，電噴印要求噴嘴具有導電性(其作為第一電極)，然而噴嘴內徑大小仍然是限制打印結果分辨率的主要因素，在要求超細線寬(小于5微米)時需要使用玻璃(絕緣)噴嘴，并且玻璃噴嘴需要進行噴金處理，但是玻璃噴嘴在實驗中容易堵塞或破損，這增加實驗成本降低效率；(2)由于導電噴嘴直接與電源相連，如果打印材料導電性較好(或者為金屬材料)，射流中含有大量殘余電荷，在沉積到襯底之后，電荷會影響襯底表面靜電場，與后續飛行中的液滴之間產生庫倫斥力，難以實現在高分辨率情況下的穩定打印，特別是絕緣襯底，殘余電荷會在襯底上保留很長時間；(3)接收襯底(基材)材料受限，接收襯底(基材)作為第二電極，通常要求襯底具有導電性，在非導電襯底上打印時面臨諸多限制，需要一些特殊處理。