一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法
专利汇可以提供一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 一种柔性 电子 产品的3D打印装置及其工作方法，其特点在于：突破了现有 柔性电子 产品在成型 精度 、使用寿命、生产效率及成本等的限制，能够实现一体化、定制化的柔性电子产品打印；可实现多材料的打印和x向、y向和z向的相对运动；能够使柔性电子产品在拉伸、弯曲等工作条件下能够保持足够高的使用寿命，而不发生 导线 与基体的剥离，同时借助混料室内的 布朗运动 实现基体混合打印液组分的柔性过渡；对打印材料兼容性好，适用于高 粘度 液体的打印；可以实现液体、 纳米材料 一体化打印。，下面是一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法专利的具体信息内容。
1.一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法，其具体的实现方法为：
（1）一种基于电喷印技术的多材料复合3D打印机，包括底座，所述底座上置有工作台、机架、加热板，所述工作台上置有支撑被打印物体的打印床，所述机架上固定有第一喷头、第二喷头和机械手，所述第一喷头、第二喷头和机械手均位于打印台上方，分别成型柔性电子产品的基体、导线和放置电子器件，使得柔性电子产品实现一体化打印；
（2）第一喷头设置为主被动复合混料打印喷头，所述喷头由进料室、混料室、喷嘴三部分组成；进料室开有2个以上的进料口，分别与微量进料泵相连，实现多材料按需进料；混料室内设置对于多种打印材料混合的搅拌器、废液收集装置，所述搅拌器包括电机、变螺距螺杆和端盖，端盖盖合在所述进料室的上端，电机安装在端盖的下端，变螺距螺杆安装在电机的下端的混料室内，通过传动轴与电机连接，中部混料室设置的混合搅拌器用于对来自不同进料口的多种打印材料充分搅拌，混合均匀，并通过微量进料泵控制多种打印材料的进料比例，实现功能梯度材料的打印，使附着金属导线的基体材料与金属导线具有近似的弹性模量，从而使得柔性电子产品在拉伸、弯曲等工作条件下能够保持足够高的使用寿命，而不发生导线与基体的剥离，同时借助混料室内的布朗运动实现基体混合打印液组分的柔性过渡；废液收集器用于通过真空负压回收喷头内残留的材料，在转换材料时，开启废液收集器，将喷头内残留的打印材料回收到废液收集器中，废液收集器内的真空压强-500mbar；喷嘴为导电喷嘴，内径为0.5-100μm，导电喷嘴可以实现利用高压电场进行电喷印，可以实现宏观/微观多尺度结构的打印，且打印材料广泛，由于喷嘴与接收基板之间的距离很小，能够减小因为空气扰动等导致的定位误差，精度高，可控性好，故电喷印非常适合于微尺寸、高精度的柔性电子产品制备；
（3）基于电喷印的打印材料为液态，需对打印材料进行及时固化，本设备在工作台上方设置温度调节范围在20-200℃的加热板及隔热装置，并在第一喷头外侧配置UV光源，以完成热敏、光敏材料的及时固化。
2.一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法中的3D打印装置采用的技术方案为：
一种电场驱动喷射沉积3D打印装置，它包括：X-Y工作台、打印平台、接收衬底（基材或者基底）、高压脉冲电源、Z向工作台、喷头固定架、打印喷头、固化单元、背压控制单元、打印材料供给单元等；其中，打印平台置于X-Y工作台之上；接收衬底置于打印平台之上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在打印平台上；所述第一、第二喷头固定架、打印喷头共同组成喷射单元，喷射单元与Z向工作台相连接，并置于打印平台的正上方，与高压脉冲电源正极相连；背压控制单元一端与压缩空气相连接，另一端与打印喷头的储料筒相连接；打印材料供给单元与打印喷头的储料筒相连接；所述第一喷头内置搅拌螺杆，直径10mm，螺距
5mm，螺纹牙垂直于轴线方向开有直径为1mm的小孔数个，压缩比选为1.1，螺杆由电机驱动，转速范围5-60r/min；通过压缩比为1.1的螺杆对混入多种料流进行主动混合，在螺杆轴向力的作用下，第一喷头中的打印墨水沿轴线方向发生流动，有利于不同组分层间混合液的微混合，并在布朗运动的作用下，消除组分层间的阶跃变化；所述高压脉冲电源输出脉冲电压范围为0-10KV，输出脉冲频率范围为0-5000HZ；优先选用直流高压电源和高压脉冲电源组合的方案，其中直流高压电源的电压范围为0-7KV，高压脉冲电源的电压范围为0-3KV；所述打印第一、第二喷头由喷嘴与料筒组成，并通过喷头固定架安装在Z向工作台；所述喷嘴安装在储料筒最下端，可以选用任意材质，例如不锈钢、塑料、陶瓷等，喷嘴内径尺寸1-1000微米；所述储料筒优先选用具有加热功能的储料装置；所述X-Y工作台采用高速和高精度位移台，优先选用直线电机驱动、伺服电机驱动、高精度步进电机驱动的方案；X-Y工作台的移动速度1-600mm/s，重复定位精度高不低于5微米；所述Z向工作台是高精度Z向位移台，优先选用高精度纳米级压电位移台、超高精度伺服电机位移台等，定位精度不低于0.5微米；所述接收衬底可以根据需要选用任意材质，例如铝板、硅片、玻璃等；若要在已有实物表面进行打印，可将实物固定于打印平台上再打印；所述固化单元用于液态打印材料的快速固化，针对不同类型打印材料选择不同的固化装置；当打印材料为热固化材料时，可在打印平台上增加电加热辅助装置；所述电加热装置为电加热棒或者电加热片，电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现液态打印材料快速固化；当打印材料为光固化材料时，可在打印喷头一侧或者两侧安装UV固化装置；所述UV固化装置为紫外LED模组或者紫外LED灯珠，固定在喷头固定架上，聚焦后的光斑照射目标打印位置，实现液态打印材料快速固化；所述背压控制单元包括精密调压阀、开关控制阀、气路附件等；调压范围为0-5bar；所述打印材料供给单元包括精密注射泵、供料管路等；所述精密注射泵通过供料管路与打印喷头的储料筒连接，在打印过程中向喷头内及时补充打印材料；上述电场驱动喷射沉积3D打印装置的工作方法如下：压缩空气经精密调压阀调压后推动储料筒中的液体达到喷嘴位置，由于喷嘴处施加脉冲高压电，提取喷嘴与接收衬底或者已完成实体之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出；结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在接收衬底上，形成零件的截面轮廓；零件的一层截面成形完成后，打印喷头上升一个截面的高度，以已完成实体表面为目标打印位置再进行下一层截面的沉积，如此循环，最终形成三维实体；打印过程中，打印材料供给单元及时补充消耗的打印材料。
3.结合本发明混合3D打印装置及其工作方法，实现成形柔性电子产品制造的具体工艺步骤如下：
步骤1：打印初始化，X-Y工作台、Z向工作台从原位移动到打印工位，使固定在Z向工作台上打印喷头喷嘴的最下端移动到距离接收衬底的预先设置的高度，调节好提取电极到喷嘴最下端距离；根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，设置好高压脉冲电源、精密调压阀、精密注射泵所需参数；
步骤2：开启高压脉冲电源、精密调压阀（背压控制单元）、精密注射泵（打印材料供给单元）、螺杆混合单元、固化单元；在背压的作用下，储料筒中的多种液体（液体和微纳颗粒）按照不同配比计量，经过混合输送达到喷嘴位置，形成半月形的弯液面，在提取电极上施加脉冲高压，打印喷嘴与接收衬底之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出；结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在接收衬底上，成型柔性电子产品变刚度的功能梯度基体材料；
步骤3：柔性电子产品基体材料完成后，关闭高压脉冲电源、精密调压阀、精密调压阀、固化单元等，暂停喷射并通过Z向工作台控制打印喷头上升一个截面的高度；开启真空吸附取样装置，吸附所需电子器件放置至所需位置；
步骤4：开启高压脉冲电源、精密调压阀、精密调压阀及第二喷嘴等，以第一部分实体作及电子器件为接收衬底，结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射导电墨水，打印所需电路；
步骤5：开启高压脉冲电源、精密调压阀（背压控制单元）、精密注射泵（打印材料供给单元）、螺杆混合单元、固化单元，喷射封胶层；打印过程中精密注射泵及时补充消耗的打印材料；
步骤6：关闭高压脉冲电源、精密调压阀、精密注射泵、固化单元等，X-Y工作台、Z向工作台回到原始工位，从打印平台上取下接收衬底和成形零件；
由于本发明打印材料没有限制（包括诸如有机、无机、导电、非导电、生物材料、聚合物、金属材料等），利用本发明电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法，并结合使用多个打印喷头，每个打印喷头内放置不同的打印材料，诸如成形件结构材料、支撑材料、导电材料、功能材料等，能够实现多材料多尺度3D打印；实现“结构-材料-性能-器件”一体化制造。
一种柔性电子产品的3D打印装置及其工作方法
技术领域
背景技术
发明内容
500mbar；喷嘴为导电喷嘴，内径为0.5-100μm，导电喷嘴可以实现利用高压电场进行电喷印，可以实现宏观/微观多尺度结构的打印，且打印材料广泛，由于喷嘴与接收基板之间的距离很小，能够减小因为空气扰动等导致的定位误差，精度高，可控性好，故电喷印非常适合于微尺寸、高精度的柔性电子产品制备。（3）基于电喷印的打印材料为液态，需对打印材料进行及时固化，本设备在工作台上方设置温度调节范围在20-200℃的加热板及隔热装置，并在第一喷头外侧配置UV光源，以完成热敏、光敏材料的及时固化。
7KV，高压脉冲电源的电压范围为0-3KV。
步骤2：开启高压脉冲电源、精密调压阀（背压控制单元）、精密注射泵（打印材料供给单元）、螺杆混合单元、固化单元。在背压的作用下，储料筒中的多种液体（液体和微纳颗粒）按照不同配比计量，经过混合输送达到喷嘴位置，形成半月形的弯液面，在提取电极上施加脉冲高压，打印喷嘴与接收衬底之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在接收衬底上，成型柔性电子产品变刚度的功能梯度基体材料。
附图说明
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