[發明專利]基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印裝置及方法

有效

• 申請號: 202110438774.2
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113134968B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 吳文征;王靜;郭金雨;劉天宇;趙繼
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C64/106
• 分類號: B29C64/106;B29C64/118;B29C64/379;C25D17/00;C25D7/00;C25D9/02;B33Y30/00;B33Y40/20
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印方法，采用基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印裝置，該裝置包括機架、Z軸移動裝置、雙噴頭組件、X軸移動裝置、Y軸移動裝置、電解液循環通道、沉積室和蒸餾水循環通道，其中Z軸移動裝置置于機架內部，X軸移動裝置置于機架內部上方，雙噴頭組件置于X軸移動裝置上，Y軸移動裝置置于Z軸移動裝置內部，沉積室位于機架底部，用于在其內進行電沉積金屬或導電聚合物，電解液循環通道與沉積室聯通，用于循環供給電解液，蒸餾水循環通道與沉積室聯通，用于循環供給蒸餾水，在沉積室內進行清洗；其特征在于，包括下列步驟：

(1)利用三維建模軟件設計柔性電子元件模型，模型包括導電的電子元件部分和絕緣的柔性襯底部分；

(2)利用切片軟件將基底模型分層切片，識別切片層中導電及絕緣部分的信息；

(3)將每層識別的信息導入基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印裝置中，所述雙噴頭組件的打印噴頭擠出導電絲材，導電絲材選取熱塑性材料中聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚醚醚酮、熱塑性聚氨酯的一種以及導電材料碳納米管、石墨烯的一種進行混合,以及雙噴頭組件的噴涂噴頭進行柔性基底材料：聚二甲基硅氧烷PDMS混合劑的噴涂及固化；

(4)打印噴頭及噴涂噴頭根據每層的導電部分及絕緣部分信息進行逐層沉積，所述雙噴頭中的打印噴頭擠出導電絲材，根據熔融沉積成形原理形成該層結構中的導電的電子元件部分，所述雙噴頭的噴涂噴頭利用周圍的陣列圓孔噴頭進行PDMS混合劑的噴涂，并在噴涂噴頭中部出口處設有加熱棒，對擠出的流動態PDMS混合劑進行加熱，使其固化，加熱棒的溫度范圍為90℃～100℃，進而根據墨水直接書寫原理形成該層結構中的絕緣的柔性襯底部分,所述層厚為0.1mm，每完成一切片層的沉積成形下降沉積件一個層厚的高度并進行下一切片層的沉積，逐層累積形成最終結構；

(5)將打印好的柔性電子元件模型置于沉積室(7)內，通過電解液循環通道進行電解液輸送，將導電的電子元件部分連接電源負極，另取不溶性陽極同樣置于電解液中連接電源正極，通電后在柔性電子元件模型導電部分表面電沉積金屬或導電聚合物；

(6)通過蒸餾水循環通道進行蒸餾水的輸送，對電沉積金屬或導電聚合物后的模型進行沖洗、干燥，獲得所需的柔性電子元件。

2.根據權利要求1所述的一種基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印方法，其特征在于，步驟(3)中碳納米管質量分數為6％-9％，所述PDMS混合劑選取道康寧SYLGARD184硅橡膠，其包含聚二甲基硅氧烷PDMS和固化劑，經攪拌后均勻混合而成，PDMS與固化劑的混合比例為1：1～10：1。

3.根據權利要求1所述的一種基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印方法，其特征在于，步驟(5)中所述電沉積導電聚合物的電解液包括吡咯、添加劑和蒸餾水均勻混合而成，所述電沉積金屬的電解液包括金屬鹽、添加劑、蒸餾水混合而成，所述不溶性陽極采用惰性金屬或者石墨。

4.根據權利要求1所述的一種基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印方法，其特征在于：所述Z軸移動裝置包括Z軸步進電機、光軸、絲杠、Z軸移動塊，其中光軸、絲杠與機架固定，Z軸移動塊由光軸及絲杠支撐，Z軸步進電機與絲杠相連，Z軸步進電機旋轉帶動絲杠轉動，從而使Z軸移動塊沿光軸及絲杠進行Z向運動。

5.根據權利要求1所述的一種基于電沉積和雙噴頭的柔性電子元件3D打印方法，其特征在于：所述X軸移動裝置包括X軸步進電機、光軸、絲杠、雙噴頭組件，其中，光軸、絲杠與機架固定，雙噴頭組件由光軸及絲杠支撐，X軸步進電機與絲杠相連，X軸步進電機旋轉帶動絲杠轉動，從而使雙噴頭組件沿光軸及絲杠進行X向運動。