[发明专利]一种用于增减材制造的一体化喷印装置

说明书

本发明公开了一种集成等离子体射流技术的喷印装置，该装置包括喷头、高压电源、收集基板和进液筒。本发明利用高压电源产生喷印工艺电场需求和作为等离子体射流的激励源，并借助气体放电产生等离子体射流，可在同一装置上实现电流体喷印加工(增材加工)与等离子体刻蚀加工(减材加工)的联合应用，包括在加工过程中用等离子体对电喷印材料进行实时表面改性、电喷印沉积材料的烧结固化、同步进行增减材加工以实现复杂图案及多层结构的快速成型。本发明提出的喷印装置能以组合方式或阵列方式应用，可用于大面积、多层、复杂结构的制备。本发明应用能带来加工效率、材料性能的提升，在MEMS加工制造及电流体喷印领域都具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于喷印制造领域，具体涉及一种集成电喷印的增材加工方法与等离子体刻蚀的减材加工方法的喷印装置与方法。

技术背景

喷墨打印技术是利用墨液的图案化沉积来制备微纳米结构器件的，被广泛应用于微机电、太阳能电池、显示面板、生物医疗等领域。电流体喷印技术应用电流体动力学机理，利用电场力将墨液从喷嘴口拉出形成泰勒锥，喷嘴处的带电液滴会受到电场切应力的作用，当局部电场力超过液体表面张力后，带电液体从喷嘴处喷射，然后破裂成液柱或者小液滴。通过改变流速、电压、液体性质和喷嘴结构，可形成具有不同射流形状和破碎机理的电流体喷印模式，即电纺丝、电点喷和电喷雾。

电喷印技术属于增材制造技术，有着增材制造技术的以下优点：

(1)可多层喷印出复杂形状的微结构，如凹槽、凸肩和复杂的内流道等。

(2)材料利用率高，尤其是对昂贵的稀有材料来说，可大大降低成本。

(3)可实现较高程度的数字化加工，人工干预小。

但是，单独的增材制造工艺有时候也面临着加工效率低下，需要进行表面二次处理，打印后需要其他方式进行烧结，静电纺丝图案化过程中难以切断等诸多问题。在喷印制造过程中使用喷印墨液与待加工材料发生的理化反应以实现刻蚀是增减材复合制造方法之一，但是此种刻蚀方法可控性较差，且刻蚀液容易残留，甚至有可能破坏局部结构，因此，设计出一套能进行增减材制造一体化的加工装置能丰富加工模式，极大的提升加工效率。

等离子体刻蚀加工是进行减材加工的方法之一，其中，无掩膜的等离子体射流直写工艺方法被广泛应用于碳基材料的刻蚀加工，相比于传统刻蚀工艺，它不需要光刻胶、掩膜、后处理、真空、高温、洁净等环境要求，而且成本低廉。其原理是利用气体放电产生富含活性粒子的等离子体射流，如轰击氦原子(氧原子)使其达到激发态(电离等)，激发态氦原子诱导氧气形成臭氧，活性粒子与被刻蚀的材料相互接触时，会发生化学反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于刻蚀速率快、刻蚀表面无残留物、可获得良好的物理形貌。

高频强电压除将气体放电产生富含活性粒子的等离子体射流外，还在局部产生较高的温度场，高温可将电流体喷印喷出的材料如银纳米颗粒墨液进行烧结固化，不但增加其导电性，且利于良好表面形貌的生成。