一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印装置及方法

本申请涉及电路打印制造，特别涉及一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置及方法。

背景技术：

1、为了突破传统印制电路板的局限，功能电路共形打印技术成了一个重要的发展方向，目前，在电路打印制造的过程中，使用激光对印刷图案进行局部加热和固化，可以精确控制后处理区域和温度，能够在实现电路功能化的同时，大幅减小对基材和结合界面的损伤，有助于推动柔性电子、可穿戴设备等技术的发展。因此，需对激光辅助的电路打印制造技术进行研究。

2、现有技术中，中国专利cn117601420a公开了一种激光辅助气溶胶喷射原位打印装置及方法，其中装置包括激光射流对准调节机构，激光射流对准调节机构安装有激光烧结喷头、气溶胶喷射打印喷头以及ccd高分辨率相机；激光烧结喷头与激光功率调节器连接；气溶胶喷射打印喷头通过鞘气流控制器与气泵连接；气溶胶喷射打印喷头连接功能墨水雾化装置，功能墨水雾化装置通过载气流控制器与气泵连接；ccd高分辨率相机与相机监视器连接。

3、中国专利cn109366980a公开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。

4、然而，上述两个现有技术中的激光辅助器均安装在打印喷头的外部，在正式打印前需对激光辅助器的空间位置、角度、焦点进行预调整，操作难度较高，容易导致激光调节误差；同时，由于现有技术中的激光辅助器位于打印喷头外侧，激光束照射方向与打印喷头的喷射打印方向存在一定夹角，当打印的基体表面为复杂曲面时，可能出现基体遮挡激光束的情况，对复杂曲面基体的打印适应性较差；此外，外置激光辅助器的激光束倾斜照射油墨沉积线，使得沉积线上的光斑能量分布不均匀，打印电路的稳定性和可靠性较低。

技术实现思路

1、本申请提供了一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置及方法，用以解决现有的电路打印制造技术操作难度较高，容易导致激光调节误差；对复杂曲面基体的打印适应性较差；沉积线上的光斑能量分布不均匀，打印电路的稳定性和可靠性较低的问题。

2、一方面，本申请提供了一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，包括：光内送墨打印喷头、激光功率稳定器、惰性气源、载气质量流速调节器、功能油墨雾化器、鞘气质量流速调节器、运动平台和控制系统。

3、所述光内送墨打印喷头分别与所述激光功率稳定器、所述功能油墨雾化器、所述鞘气质量流速调节器连接，所述功能油墨雾化器通过所述载气质量流速调节器与所述惰性气源连接，所述鞘气质量流速调节器与所述惰性气源连接，所述控制系统分别与所述激光功率稳定器、所述载气质量流速调节器、所述功能油墨雾化器、所述鞘气质量流速调节器、所述运动平台电连接。

4、所述光内送墨打印喷头将激光束集成在打印喷头内部。

5、在一种可能的实现方式中，所述光内送墨打印喷头包括：分光镜、聚光镜、气溶胶通道、鞘气通道、激光束通道和打印喷头外壳。

6、所述分光镜固定设置于所述打印喷头外壳的内部中心轴线上，所述聚光镜固定设置于所述打印喷头外壳的内部四周。

7、所述气溶胶通道的一端连接所述功能油墨雾化器，另一端进入所述打印喷头外壳并指向所述打印喷头外壳的出口。

8、所述鞘气通道的一端连接所述鞘气质量流速调节器，另一端进入所述打印喷头外壳并指向所述打印喷头外壳的出口。

9、所述激光束通道的一端连接所述激光功率稳定器，另一端进入所述打印喷头外壳并指向所述打印喷头外壳的出口。

10、在一种可能的实现方式中，所述鞘气通道在所述打印喷头外壳的内部的部分位于所述气溶胶通道的外侧。

11、所述激光束通道在所述打印喷头外壳的内部的部分位于所述鞘气通道的外侧。

12、在一种可能的实现方式中，在进行打印时，所述气溶胶通道向所述打印喷头外壳的出口射出气溶胶油墨流，所述鞘气通道向所述打印喷头外壳的出口射出鞘气流，所述激光束通道向所述打印喷头外壳的出口射出激光束。

13、所述鞘气流位于所述气溶胶油墨流的外侧，所述激光束位于所述鞘气流的外侧。

14、在一种可能的实现方式中，在进行打印时，所述气溶胶油墨流的焦点与所述激光束的焦点重合。

15、在一种可能的实现方式中，所述功能油墨雾化器采用的雾化方式包括：超声雾化、气动雾化和电雾化。

16、另一方面，本申请提供了一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印方法，包括以下步骤：

17、步骤一，配置功能油墨，包括：确定功能材料；将所述功能材料分散在溶剂中，形成纳米颗粒悬浮液；优化所述纳米颗粒悬浮液中纳米颗粒的尺寸，得到功能油墨；调节所述功能油墨的粘度和表面张力。

18、步骤二，规划打印路径，包括：获取基体的模型，对基体的表面进行光滑处理；获取基体的法向量；沿着基体的法向量方向进行切片，得到切片层；采用等高线切片算法根据所述切片层生成打印路径。

19、步骤三，优化打印工艺参数，包括：选择光内送墨打印喷头的喷嘴直径、工作距离和功能油墨的体积；设置气溶胶油墨流和鞘气流的流速；设置激光束的功率和光斑大小。

20、步骤四，基于所述功能油墨、所述打印路径和所述打印工艺参数进行打印。

21、在一种可能的实现方式中，步骤一中，所述功能材料包括：导电材料、半导体材料和介电材料。

22、在一种可能的实现方式中，步骤二中，所述打印路径的填充策略包括：螺旋填充和线性填充。

23、本申请中的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置及方法，具有以下优点：

24、通过光内送墨打印喷头实现气溶胶喷射技术与激光烧结技术的一体化集成，将激光束集成在打印喷头内部，无需单独对激光束进行调节，降低了操作难度和激光调节误差，同时可以对激光束和打印喷头的运动进行同步控制，提高了打印的一致性和重复性；可以在油墨沉积后直接对同一位置进行激光烧结固化，避免了复杂曲面基体遮挡激光束的情况，提高了对复杂曲面基体的打印适应性，同时无需频繁调整激光束的位置和角度，提高了打印过程的便捷性；通过将激光束集成在打印喷头内部，避免了外部环境变化对激光束稳定性的影响，同时使得激光束整体垂直照射在油墨沉积线上，避免了外置激光倾斜照射油墨沉积线导致的光斑能量分布不均匀问题，进而提高了打印电路的稳定性和可靠性。

1.一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，包括：光内送墨打印喷头、激光功率稳定器、惰性气源、载气质量流速调节器、功能油墨雾化器、鞘气质量流速调节器、运动平台和控制系统；

2.根据权利要求1所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，所述光内送墨打印喷头包括：分光镜、聚光镜、气溶胶通道、鞘气通道、激光束通道和打印喷头外壳；

3.根据权利要求2所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，所述鞘气通道在所述打印喷头外壳的内部的部分位于所述气溶胶通道的外侧；

4.根据权利要求2所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，在进行打印时，所述气溶胶通道向所述打印喷头外壳的出口射出气溶胶油墨流，所述鞘气通道向所述打印喷头外壳的出口射出鞘气流，所述激光束通道向所述打印喷头外壳的出口射出激光束；

5.根据权利要求4所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，在进行打印时，所述气溶胶油墨流的焦点与所述激光束的焦点重合。

6.根据权利要求1所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，所述功能油墨雾化器采用的雾化方式包括：超声雾化、气动雾化和电雾化。

7.一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印方法，利用如权利要求1至6任一项所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印装置，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印方法，其特征在于，步骤一中，所述功能材料包括：导电材料、半导体材料和介电材料。

9.根据权利要求7所述的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3d打印方法，其特征在于，步骤二中，所述打印路径的填充策略包括：螺旋填充和线性填充。