[發(fā)明專利]一種微納分層結(jié)構(gòu)的激光燒蝕-電噴打印方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110769948.3
• 申請(qǐng)日: 2021-07-04
• 公開（公告）號(hào): CN113580564A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李凱;劉濤;韓小帥;王曉英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/20
• 分類號(hào): B29C64/20;B29C64/209;B29C64/268;B29C64/30;B29C64/386;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/00;B33Y50/02
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1.一種微納分層結(jié)構(gòu)的激光燒蝕-電噴打印方法，其特征在于，所用的打印裝置包括電噴印刷模塊、激光刻蝕模塊、視覺(jué)形態(tài)檢測(cè)模塊、載物平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模塊和系統(tǒng)控制模塊；所述的電噴印刷模塊包括推桿(1)、注射器(2)、注射泵夾具(3)、功能墨水(4)、管道連接器(5)、墨水管道(7)、復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)、氣液分流裝置(9)和高壓電源(18)；所述的復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)由導(dǎo)電墨水孔I(801)、噴頭夾具(802)和噴印口(803)組成；所述的氣液分流裝置(9)由流體導(dǎo)管I(901)、流體導(dǎo)管II(902)、導(dǎo)電墨水孔II(903)、氣流管道II(904)、復(fù)合場(chǎng)噴頭固定孔(905)和高能激光頭固定孔(906)組成；所述的推桿(1)由交流電源供電，注射器(2)由注射泵夾具(3)固定在底座上；功能墨水(4)存于注射器(2)內(nèi)，通電后推桿(1)將功能墨水(4)泵入管道連接器(5)中；注射器(2)的端口通過(guò)管道連接器(5)和墨水管道(7)連接，墨水管道(7)的另一端和氣液分流裝置(9)的流體導(dǎo)管I(901)連通，復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)的導(dǎo)電墨水孔I(801)和導(dǎo)電墨水孔II(903)連通；氣液分流裝置(9)將泵入的功能墨水(4)通過(guò)導(dǎo)電墨水孔I分流到復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)；所述的噴頭夾具(802)前端可導(dǎo)電，與氣液分流裝置(9)的復(fù)合場(chǎng)噴頭固定孔(905)共同定位夾緊復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)；氣液分流裝置(9)固定在可垂直移動(dòng)的Z軸上，可調(diào)節(jié)燒蝕及噴印的高度；所述的復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)由導(dǎo)電材料制造，頭部具有噴印口(803)；所述的高壓電源(18)與交流電源連接，其輸出端與噴頭夾具(802)導(dǎo)電部分連接，其輸出端與噴頭夾具(802)導(dǎo)電部分連接；

所述的激光刻蝕模塊包括供氧系統(tǒng)(19)、氧氣管道(6)、高能激光頭(10)和刻槽(17)；高能激光頭(10)由氣流管道I(1001)、能量調(diào)節(jié)旋鈕(1002)和激光射頭(1003)；所述的供氧系統(tǒng)(19)和高能激光頭(10)均由交流電源供電；所述的供氧系統(tǒng)(19)的氧氣輸送端口通過(guò)氧氣管道(6)和氣液分流裝置(9)連接，氧氣管道(6)的另一端和氣液分流裝置(9)的導(dǎo)電墨水孔II(902)連通；輸入的氧氣通過(guò)氣液分流裝置(9)的流體導(dǎo)管II(902)和氣流管道II(904)傳輸?shù)礁吣芗す忸^(10)的氣流管道I(1001)；高能激光頭(10)的激光射頭(1003)所產(chǎn)生激光束用于制備刻槽(17)，其的能量強(qiáng)度可由能量調(diào)節(jié)旋鈕(1002)進(jìn)行調(diào)節(jié)；

所述的視覺(jué)形態(tài)檢測(cè)模塊包括高清工業(yè)相機(jī)(11)及配套的實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件，高清工業(yè)相機(jī)(11)拍攝激光燒蝕和電噴印填充的區(qū)域，并通過(guò)配套的實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件控制高精燒蝕及電噴印過(guò)程；

所述的載物平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模塊包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)和襯底(16)；所述的襯底(16)通過(guò)絕緣卡扣固定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)的正上方；所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)下端通過(guò)絕緣螺栓固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)上，使其隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)做同樣的平面運(yùn)動(dòng)；所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)由交流電源供電，并與所述工控機(jī)(12)連接實(shí)現(xiàn)通信，工控機(jī)(12)通過(guò)程序控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)做X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，且可控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度；

所述的系統(tǒng)控制模塊由工控機(jī)(12)和電源(13)組成；所述的工控機(jī)(12)由電源(13)供電；所述的工控機(jī)(12)與高清工業(yè)相機(jī)(11)連接；工控機(jī)(12)控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度、復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)距離運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(14)的距離和高能激光頭(10)射出激光束的能量大小，并根據(jù)高清工業(yè)相機(jī)(11)反饋的數(shù)據(jù)對(duì)激光刻蝕模塊和視覺(jué)形態(tài)檢測(cè)模塊的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)測(cè)。

2.采用權(quán)利要求1所述的打印裝置進(jìn)行微納分層結(jié)構(gòu)的激光燒蝕-電噴打印，其特征在于，步驟如下：

第一步，燒蝕刻槽

首先將襯底(16)放置、固定到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)，高能激光頭(10)可產(chǎn)生數(shù)千攝氏度的局部高溫，根據(jù)預(yù)先繪制的CAD圖紙和配置好的參數(shù)對(duì)襯底(16)進(jìn)行燒蝕，使襯底(16)需要燒蝕的部分瞬間汽化、斷裂，獲得一定深度和寬度的刻槽(17)；高清工業(yè)相機(jī)(11)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光束燒蝕襯底(16)的程度，以保證獲得標(biāo)準(zhǔn)寬度、深度和形狀的刻槽(17)；

第二步，形成穩(wěn)定的電射流

將襯底(16)通過(guò)絕緣卡扣固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)的正上方，選用納米級(jí)銀漿料作為功能墨水(4)；通過(guò)推桿(1)將注射器(2)中的功能墨水(4)通過(guò)管道連接器(5)、墨水管道(7)和氣液分流裝置(9)注射到復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)中；調(diào)節(jié)復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)的噴印口(803)與襯底(16)的間距，同時(shí)控制高壓電源(18)的輸出頻率，使用高清工業(yè)相機(jī)(11)觀測(cè)射流形態(tài)和微納分層結(jié)構(gòu)的三維模態(tài)，最終使得穩(wěn)定的電射流從復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)的噴印口(803)處噴出，并在襯底(16)上的刻槽(17)內(nèi)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的微納分層結(jié)構(gòu)；

第三步，打印并填充刻槽

保持襯底(16)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物基板(15)上不動(dòng)，高壓電源(18)通過(guò)噴頭夾具(802)向復(fù)合場(chǎng)噴頭(8)施加適量的高電壓，此時(shí)將在噴印口(803)與襯底(16)之間形成電場(chǎng)力，噴印口(803)在上述的刻槽(17)填充定量的功能墨水(4)，同時(shí)利用高清工業(yè)相機(jī)(11)對(duì)電噴印填充過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保填充的微納三維結(jié)構(gòu)與刻槽(17)完全匹配，所述的微納分層結(jié)構(gòu)的圖形打印填充過(guò)程通過(guò)高清工業(yè)相機(jī)(11)和實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件檢測(cè)，保證射流形態(tài)的穩(wěn)定性。