[发明专利]一种激光辅助电喷射原位打印制造方法

摘要

本发明属于先进制造技术领域，提供了一种激光辅助电喷射原位打印制造方法。“功能材料墨水”在压力作用下从喷针口流出，由于电流体动力学效应作用，形成稳定的泰勒锥喷射出稳定的精细射流，喷射在基体上形成打印层。同时，激光能量器用来对打印层进行复合处理，发射激光束并按照打印轨迹照射在打印层上，在原位同步实现打印结构的高温固化、结晶等功能化处理。本发明直接在基体上原位实现功能结构与器件，消除了传统方法转印、粘贴、拼接等二次定位误差难题，避免了胶粘工艺引发的结合力弱、灵敏度低等问题，并借助电喷射高分辨率打印优势，可以减小功能单元特征尺寸。本发明提高了打印单元结构的尺寸精度和结合强度，进而提高了器件的灵敏度和稳定性。

主权项

1.一种激光辅助电喷射原位打印制造方法，其特征在于，首先对“功能材料墨水”施加稳定的压力，使其从精密喷针口流出，并对“墨水”施加一定的电场，以形成稳定的精细射流，直接喷射打印在基底上形成打印层；然后，按预定轨迹运动基底以打印成型所需形状微结构；最后，利用激光的热效应对打印层复合处理，同步实现打印结构的固化、结晶，在原位实现打印微结构功能化；该方法是基于激光辅助电喷射原位打印制造装置实现的，包括电喷射打印模块和激光功能化处理模块；所述的电喷射打印模块包括PC上位机(1)、CCD相机(2)、高压电源(3)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、导管(6)、喷针(7)和运动平台(9)；精密注射器(5)安装在微量注射泵(4)上，内部装有“功能材料墨水”，微量注射泵(4)的推柄推动精密注射器(5)按一定的流量精准的进给；喷针(7)通过导管6与精密注射器(5)相连接，“功能材料墨水”流至喷针(7)口处；高压电源(3)正极输出端与喷针(7)相连，负极与打印平板(14)相连接，在喷针(7)和打印平板(14)之间形成稳定电场；“功能材料墨水”在微量注射泵(4)的推动下从喷针(7)流出，同时，在电场的作用下，在喷针(7)口处形成稳定的泰勒锥(10)，并喷射出稳定的精细射流(11)在基底上形成打印层；X/Y轴组合形成各种运动路径，Z轴调节喷针(7)和打印平板(14)之间的高度，以满足各种打印需求；PC上位机(1)通过USB接口控制CCD相机(2)，CCD相机(2)检测打印区域内的泰勒锥(10)的稳定性以及打印层的打印路径；所述的激光功能化处理模块包括PC上位机(1)和激光能量器(8)；PC上位机(1)控制激光能量器(8)的功率、扫描速度、光斑以及频率；激光能量器(8)的照射探头与喷针(7)共同固定在运动平台(9)的Z轴上，保证其激光束扫描轨迹与打印轨迹重复；采用上述装置进行电喷射原位打印制造的方法，步骤如下：1)电喷射打印微观结构高压电源(3)在喷针(7)和打印平板(14)之间施加电压，形成稳定电场，“功能材料墨水”在微量注射泵(4)的推动下，从精密注射器(5)通过导管(6)流至喷针(7)出口，在电场、重力场作用下，在喷针(7)口处形成稳定的泰勒锥(10)，并产生稳定的精细射流(11)打印在基底上；根据运动轨迹，通过PC上位机(1)控制运动平台(9)的运动不同轨迹，实现各种形状的驱动、传感及控制元件，在PC上位机(1)屏幕中监测CCD相机(2)视野内锥射流的打印情况；2)激光原位功能化处理电喷射打印一层液体后，PC上位机(1)自动启动激光能量器(8)并产生激光束(12)，利用激光热效应对打印层复合处理，激光束(12)照射到的区域瞬间产生高温，利用激光束(12)扫描照射打印层进行原位热处理去除应力；热处理完成后，上位机降低激光能量器(8)的扫描速度，增加扫描功率，再次对打印层进行扫描照射，在原位对打印层完成固化和结晶化处理；然后，循环进行电喷射原位打印、原位热处理、原位固化、原位结晶化处理；通过层层打印，层层激光扫描去除应力，层层固化和结晶化处理，最后在原位成型所需的形状的打印微结构(13)。