[发明专利]一种微纳分层结构的激光烧蚀-电喷打印装置

权利要求书

1.一种微纳分层结构的激光烧蚀-电喷打印装置，其特征在于，所述的装置包括电喷印刷模块、激光刻蚀模块、视觉形态检测模块、载物平台运动模块和系统控制模块；所述的电喷印刷模块包括推杆(1)、注射器(2)、注射泵夹具(3)、功能墨水(4)、管道连接器(5)、墨水管道(7)、复合场喷头(8)、气液分流装置(9)和高压电源(18)；所述的复合场喷头(8)由导电墨水孔I(801)、喷头夹具(802)和喷印口(803)组成；所述的气液分流装置(9)由流体导管I(901)、流体导管II(902)、导电墨水孔II(903)、气流管道II(904)、复合场喷头固定孔(905)和高能激光头固定孔(906)组成；所述的推杆(1)由电源供电，注射器(2)由注射泵夹具(3)固定在底座上；功能墨水(4)存于注射器(2)内，通电后推杆(1)将功能墨水(4)泵入管道连接器(5)中；注射器(2)的端口通过管道连接器(5)和墨水管道(7)连接，墨水管道(7)的另一端和气液分流装置(9)的流体导管I(901)连通，复合场喷头(8)的导电墨水孔I(801)和导电墨水孔II(903)连通；气液分流装置(9)将泵入的功能墨水(4)通过导电墨水孔I(801)分流到复合场喷头(8)；所述的喷头夹具(802)前端可导电，与气液分流装置(9)的复合场喷头固定孔(905)共同定位夹紧复合场喷头(8)；气液分流装置(9)固定在可垂直移动的Z轴上，可调节烧蚀及喷印的高度；所述的复合场喷头(8)由导电材料制造，头部具有喷印口(803)；所述的高压电源(18)与交流电源连接，其输出端与喷头夹具(802)导电部分连接，其输出端与喷头夹具(802)导电部分连接；

所述的激光刻蚀模块包括供氧系统(19)、氧气管道(6)、高能激光头(10)和刻槽(17)；高能激光头(10)由气流管道I(1001)、能量调节旋钮(1002)和激光射头(1003)；所述的供氧系统(19)和高能激光头(10)均由交流电源供电；所述的供氧系统(19)的氧气输送端口通过氧气管道(6)和气液分流装置(9)连接，氧气管道(6)的另一端和气液分流装置(9)的导电墨水孔II(903)连通；输入的氧气通过气液分流装置(9)的流体导管II(902)和气流管道II(904)传输到高能激光头(10)的气流管道I(1001)；高能激光头(10)的激光射头(1003)所产生激光束用于制备刻槽(17)，其能量强度可由能量调节旋钮(1002)进行调节；

所述的视觉形态检测模块包括高清工业相机(11)及配套的实时检测软件，高清工业相机(11)拍摄激光烧蚀和电喷印填充的区域，并通过配套的实时检测软件控制高精烧蚀及电喷印过程；

所述的载物平台运动模块包括运动平台(14)、运动平台载物基板(15)和衬底(16)；所述的衬底(16)通过绝缘卡扣固定运动平台载物基板(15)的正上方；所述的运动平台载物基板(15)下端通过绝缘螺栓固定在运动平台(14)上，使其随运动平台(14)做同样的平面运动；所述的运动平台(14)由交流电源供电，并与所述工控机(12)连接实现通信，工控机(12)通过程序控制运动平台(14)做X、Y两个方向的运动，且可控制运动平台(14)的运动轨迹和运动速度；

所述的系统控制模块由工控机(12)和电源(13)组成；所述的工控机(12)由电源(13)供电；所述的工控机(12)与高清工业相机(11)连接；工控机(12)控制运动平台(14)的运动轨迹及运动速度、复合场喷头(8)距离运动平台(14)的距离和高能激光头(10)射出激光束的能量大小，并根据高清工业相机(11)反馈的数据对激光刻蚀模块和视觉形态检测模块的工作状态实时调整和监测。

2.采用权利要求1所述的打印装置进行微纳分层结构的激光烧蚀-电喷打印，其特征在于，步骤如下：

第一步，烧蚀刻槽

首先将衬底(16)放置、固定到运动平台载物基板(15)，高能激光头(10)可产生数千摄氏度的局部高温，根据预先绘制的CAD图纸和配置好的参数对衬底(16)进行烧蚀，使衬底(16)需要烧蚀的部分瞬间汽化、断裂，获得一定深度和宽度的刻槽(17)；高清工业相机(11)实时监测激光束烧蚀衬底(16)的程度，以保证获得标准宽度、深度和形状的刻槽(17)；

第二步，形成稳定的电射流

将衬底(16)通过绝缘卡扣固定在运动平台载物基板(15)的正上方，选用纳米级银浆料作为功能墨水(4)；通过推杆(1)将注射器(2)中的功能墨水(4)通过管道连接器(5)、墨水管道(7)和气液分流装置(9)注射到复合场喷头(8)中；调节复合场喷头(8)的喷印口(803)与衬底(16)的间距，同时控制高压电源(18)的输出频率，使用高清工业相机(11)观测射流形态和微纳分层结构的三维模态，最终使得稳定的电射流从复合场喷头(8)的喷印口(803)处喷出，并在衬底(16)上的刻槽(17)内形成结构稳定的微纳分层结构；

第三步，打印并填充刻槽

保持衬底(16)在运动平台载物基板(15)上不动，高压电源(18)通过喷头夹具(802)向复合场喷头(8)施加适量的高电压，此时将在喷印口(803)与衬底(16)之间形成电场力，喷印口(803)在上述的刻槽(17)填充定量的功能墨水(4)，同时利用高清工业相机(11)对电喷印填充过程实时监测，确保填充的微纳三维结构与刻槽(17)完全匹配，所述的微纳分层结构的图形打印填充过程通过高清工业相机(11)和实时检测软件检测，保证射流形态的稳定性。