CN105855540B - 一种液态金属打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液态金属打印设备。所述设备包括：液态金属打印机构；基板运动机构，与液态金属打印机构连接；电压脉冲调控机构，与液态金属打印机构和基板运动机构连接；控制装置，与液态金属打印机构、基板运动机构，及电压脉冲调控机构连接。本发明针对低粘度、高表面张力的液态金属墨水，不仅提高了液态金属图案的打印精度和液态金属与基底之间的润湿性，而且还可以实现平面打印和空间3D打印。

Description

一种液态金属打印设备

技术领域

本发明涉及印刷电路及印刷电子器件制造领域，具体地，涉及一种液态金属打印设备。

背景技术

制约印刷电子技术发展的一个关键因素在于印刷电子材料的发展，传统的导电墨水有碳系导电材料、导电高分子和金属纳米材料。液态金属兼具金属性质与流体性质熔点。低于300℃的低熔点合金均可以配置成为电子墨水。与其他导电墨水相比，液态金属墨水的成本较低，物理化学性质稳定，导电率相对较高，且导电线路的成型无需后处理。

有别于传统印制电路所采取蚀刻加工方法，液态金属墨水可以通过微流道法、掩膜法、印记法、微接触打印法、直写法、3D打印法等方式直接快速制作电路。但是，由于液态金属墨水是一种低粘度、高表面张力的流体，因此，现有的方法无论哪种都会在打印精度、液态金属与基底润湿性等方面存在一定的问题。例如，微流道法不适用于复杂的电路，而且由于表面张力大，向微流道注射液态金属时需要施加很大的注射压力，因而决定了微流道法印制的电路精度有限；掩膜法同微流道法一样需要制作模具，费时费力，且制作的图案经常出现边缘模糊、线路断开等问题；印记法制作的图案精度有限，且线高度不均匀；微接触打印法速度很慢，且同样存在图案精度有限的问题；现有的液态金属3D打印法采用微球沉积法，速度很慢，且所形成的图案精度非常低；直写法不需要制作模板，CN104118222A提出一种液态金属针式打印设备及打印方法，通过直写方式实现电路快捷打印，但是由于打印的液态金属墨水的表面张力改变不大，因此电路精度有限，当针孔孔径减小时，液态金属墨水容易堵塞笔头，无法打印亚微米尺寸图案，而且该设备不适用于打印3D图案。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态金属打印设备。所述设备针对低粘度、高表面张力的液态金属墨水，不仅提高了液态金属图案的打印精度和液态金属与基底之间的润湿性，而且还可以实现平面打印和空间3D打印。

为了实现上述目的，本发明提供一种液态金属打印设备。所述设备包括：

液态金属打印机构、基板运动机构、电压脉冲调控机构以及控制装置，

所述液态金属打印机构，用于将液态金属墨水射流在打印基底上进行打印；

所述基板运动机构，与所述液态金属打印机构连接，用于承载所述打印基底，并根据所述控制装置发送的第一控制指令做出相应的运动，以调整所述打印基底的空间位置；

所述电压脉冲调控机构，与所述液态金属打印机构和所述基板运动机构连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令为所述液态金属打印机构和所述基板运动机构提供所需的电压脉冲；

所述控制装置，与所述液态金属打印机构、所述基板运动机构，及所述电压脉冲调控机构连接，用于根据输入的信息控制所述液态金属打印机构、所述基板运动机构，及所述电压脉冲调控机构。

可选地，所述液态金属打印机构包括：

液态金属墨盒，用于存储所述液态金属墨水；

打印头，与所述液态金属墨盒的底部出口连接；

电极装置，与所述电压脉冲调控机构的正极连接，用于使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水带上正电荷；

加压装置，设置于所述液态金属墨盒上，用于根据所述控制装置发送的第三控制指令提供压力，使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水向下运动，并从所述打印头射流至所述打印基底上。

可选地，所述液态金属打印机构还包括：

保温层，设置于所述液态金属墨盒的外表面上，用于保持所述液态金属墨盒内的温度。

其中，所述液态金属打印机构还包括：

加热件，设置于所述液态金属墨盒上；

温度传感器，设置于所述液态金属墨盒内，用于测量所述液态金属墨水的温度值；

控制器，与所述加热件和所述控制装置连接，用于根据所述控制装置根据所述液态金属墨水的温度值产生的第四控制指令控制所述加热件对所述液态金属墨盒中的液态金属墨水进行加热，使得所述液态金属墨水的温度达到预设温度。

可选地，所述加热件为电阻加热丝或电磁线圈，

所述电阻加热丝设置于所述液态金属墨盒及所述打印头内部，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部；

所述电磁线圈缠绕在所述液态金属墨盒及所述打印头的外表面，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部。

可选地，所述电极装置为电极探针或金属电极环，

所述电极探针设置于所述液态金属墨盒内；

所述金属电极环设置于所述打印头的侧壁上。

可选地，所述基板运动机构包括：

金属板，与所述电压脉冲调控机构的负极连接，用于固定所述打印基底；

载物台，用于承载所述金属板；

三轴运动机构，与所述控制装置连接，用于根据所述控制装置发送的第一控制指令在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向移动所述载物台，从而调整所述打印基底与所述液态金属打印机构中打印头的空间相对位置。

可选地，所述电压脉冲调控机构包括：

电压源，用于提供所述液态金属打印设备所需的电压；

电压调控装置，与所述电压源连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令调整输出的电压脉冲；

其中，所述电压调控装置的正极与所述液态金属打印机构中的电极装置连接，所述电压调控装置的负极与所述基板运动机构中的金属板连接。

可选地，所述液态金属墨水为以下中的至少一种：

镓、铟、锡、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金,以及金属或合金与各类导电纳米或微米颗粒的混合物。

可选地，所述打印基底的材料包括以下中的至少一者：

聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材、固体金属以及合金。

可选地，所述液态金属打印设备的打印方式包括以下中的至少一种：

平面打印、不规则基底打印以及空间3D打印。

通过上述技术方案，在液态金属墨水和打印基底下方的金属板之间施加电压脉冲，使得液态金属墨水在电场力的作用下减小表面张力，从打印头中以带电射流的方式流出，并在打印基底上形成图案。打印头内径越小，流出的液态金属墨水射流也会越细，可以实现亚微米级别的打印精度，从而解决了低粘度、高表面张力的液态金属墨水无法从小孔径打印头喷出的问题，提高液态金属图案的打印精度。另外，由于液态金属墨水和金属板带有静电荷，当液态金属墨水射流在打印基底时，由于静电荷的存在，提高了液态金属墨水与打印基底之间的润湿性。

此外，通过调整输出的电压脉冲的大小，来弥补打印头与打印基底垂直距离改变所带来的变化，可以实现空间3D打印。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的液态金属打印机构的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的液态金属打印机构的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的打印过程示意图。

附图标记说明

1液态金属打印机构 2基板运动机构 3电压脉冲调控机构

4控制装置 21金属板 22载物台 23连接机构

24三轴运动机构 11液态金属墨盒 12保温层 13打印头

141电磁线圈 142电磁控制器 15温度传感器 16加压装置

17电极探针 18金属电极环

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的结构示意图。如图1所示，本发明一实施例提供的液态金属打印设备包括：液态金属打印机构1、基板运动机构2、电压脉冲调控机构3以及控制装置4，所述液态金属打印机构1，用于将液态金属墨水射流在打印基底上进行打印；所述基板运动机构2，与所述液态金属打印机构1连接，用于承载所述打印基底，并根据所述控制装置发送的第一控制指令做出相应的运动，以调整所述打印基底的空间位置；所述电压脉冲调控机构3，与所述液态金属打印机构1和所述基板运动机构2连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令为所述液态金属打印机构和所述基板运动机构提供所需的电压脉冲；所述控制装置4，与所述液态金属打印机构1、所述基板运动机构2，及所述电压脉冲调控机构3连接，用于根据输入的信息控制所述液态金属打印机构、所述基板运动机构，及所述电压脉冲调控机构。

在具体的实施方式中，所述液态金属机构1包括：液态金属墨盒，用于存储所述液态金属墨水；打印头，与所述液态金属墨盒的底部出口连接；电极装置，与所述电压脉冲调控机构的正极连接，用于使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水带上正电荷；加压装置，设置于所述液态金属墨盒上，用于根据所述控制装置发送的第三控制指令提供压力，使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水向下运动，并从所述打印头射流至所述打印基底上。

其中，所述电极装置为电极探针或金属电极环。在所述电极装置为所述电极探针的情况下，所述电极探针设置于所述液态金属墨盒内。在所述电极装置为所述金属电极环的情况下，所述金属电极环设置于所述打印头的侧壁上。

优选地，所述液态金属打印机构1还包括：保温层，设置于所述液态金属墨盒的外表面上，用于保持所述液态金属墨盒内的温度。藉此，能够减缓液态金属盒内温度下降的速度。

优选地，所述液态金属打印机构1还包括：加热件，设置于所述液态金属墨盒上；温度传感器，设置于所述液态金属墨盒内，用于测量所述液态金属墨水的温度值；控制器，与所述加热件和所述控制装置连接，用于根据所述控制装置根据所述液态金属墨水的温度值产生的第四控制指令控制所述加热件对所述液态金属墨盒中的液态金属墨水进行加热，使得所述液态金属墨水的温度达到预设温度。藉此，能够确保液态金属墨水在打印过程中始终处于液态且温度恒定。

其中，所述加热件为电阻加热丝或电磁线圈。在所述加热件为电阻加热丝的情况下，所述电阻加热丝设置于所述液态金属墨盒及所述打印头内部，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部。在所述加热件为电磁线圈的情况下，所述电磁线圈缠绕在所述液态金属墨盒及所述打印头的外表面，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部。

在具体的实施方式中，所述基板运动机构2包括：金属板21，与所述电压脉冲调控机构3的负极连接，用于固定所述打印基底；载物台22，用于承载所述金属板；三轴运动机构24，与所述控制装置4连接，用于根据所述控制装置发送的第一控制指令在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向移动所述载物台，从而调整所述打印基底与所述液态金属打印机构中打印头的空间相对位置。

其中，所述设备还包括：连接机构23，用于连接所述液态金属打印机构1和所述基板运动机构2。

在具体的应用中，所述电压脉冲调控机构3包括：电压源，用于提供所述液态金属打印设备所需的电压；电压调控装置，与所述电压源连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令调整输出的电压脉冲；其中，所述电压调控装置的正极与所述液态金属打印机构中的电极装置连接，所述电压调控装置的负极与所述基板运动机构中的金属板连接。

优选地，所述液态金属打印设备的打印方式包括以下中的至少一种：平面打印、不规则基底打印以及空间3D打印。在进行空间3D打印时，通过调整输出的电压脉冲的大小，来弥补打印头与打印基底垂直距离改变所带来的变化。

其中，所述液态金属墨水为熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金，如镓、铟、锡、铋、铅、镉等低熔点金属元素组成的低熔点金属或合金，如镓、铟、锡、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金等，还包括这些金属或合金与各类导电纳米或微米颗粒的混合物中的一种或几种。

其中，打印基底的材料包括高分子聚合物，如聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、环氧树脂(EP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及各类硅胶、橡胶等，也包括纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材或固体金属与合金等。

本实施例通过在液态金属墨水和打印基底下方的金属板之间施加电压脉冲，使得液态金属墨水在电场力的作用下减小表面张力，从打印头中以带电射流的方式流出，并在打印基底上形成图案。打印头内径越小，流出的液态金属墨水射流也会越细，可以实现亚微米级别的打印精度，从而解决了低粘度、高表面张力的液态金属墨水无法从小孔径打印头喷出的问题，提高液态金属图案的打印精度。另外，由于液态金属墨水和金属板带有静电荷，当液态金属墨水射流在打印基底时，由于静电荷的存在，提高了液态金属墨水与打印基底之间的润湿性。此外，通过调整输出的电压脉冲的大小，来弥补打印头与打印基底垂直距离改变所带来的变化，可以实现空间3D打印。

图2是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的液态金属打印机构的结构示意图。如图2所示，液态金属打印机构1包括液态金属墨盒11，用于储存液态金属墨水；保温层12，包裹在液态金属墨盒11的外表面上；打印头13，用于形成液态金属射流，为不锈钢材质，与所述液态金属墨盒11底端出口连接；电磁线圈141和电磁控制器142，其中，电磁线圈141缠绕在保温层12外，用于加热液态金属墨水，使其保持液态；温度传感器15，置于所述液态金属墨盒11内部，用于测量液态金属墨水的温度；加压装置16，用于推动液态金属墨水向下运动，本实施例中采用电磁泵。另外，连接电压调控装置正极的电极探针17置于所述液态金属墨盒11中，与液态金属墨水接触。其中，本实施例使用的液态金属墨水为熔点在15℃的镓铟合金，因此，在本实施例中液态金属打印机构1的液态金属墨盒11不需要加热。其中，本实施例使用基底材料为聚氯乙烯(PVC)。

使用时，选择平面打印方式，将要打印的图案生成打印指令，传输到控制装置4中。然后，将PVC基底固定在金属板21上，开启电压源开关。准备就绪后开始打印，控制装置4会首先控制加压装置16对液态金属墨水施加压力，使得打印头13有少量液态金属墨水流出。当液态金属墨水接触到打印基底时，控制装置4根据接收到的指令控制基板运动机构2各部件运动以及电压脉冲调控机构3输出的电压脉冲序列。图4是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的打印过程示意图。如图4所示，在静电作用下，液态金属墨水从打印头13中流出，从而在打印基底上打印出液态金属线。

图3是本发明一实施例提供的液态金属打印设备的液态金属打印机构的结构示意图。如图3所示，与图2不同的是液态金属打印机构1的结构。打印头13侧壁为一圈金属电极环18，连接电压调控装置的正极，因此当液态金属墨水在加压装置16作用下流进打印头内时，液态金属墨水带正电荷。

当液态金属墨水为铋铟锡合金时，液态金属墨盒11需要加热。打印时，按照控制装置的指令设定液态金属墨水的加热温度，通过电磁线圈141对液态金属墨盒中11的液态金属墨水进行加热，通过温度传感器15监测温度，并反馈温度信息，从而调控电磁控制器142，确保液态金属墨水在打印过程中始终处于液态且温度恒定。

在加热件为电阻加热丝的情况下，电阻加热丝由液态金属墨盒容腔的顶部延伸至液态金属墨盒容腔的底部，在延伸过程中，电阻加热丝可弯曲延伸，以增大与液态金属墨水的接触面积。由此，确保液态金属墨水在打印过程中始终处于液态且温度恒定。

在实际的应用中，还涉及到利用液态金属打印设备进行图案打印的方法，包括以下步骤：

(1)选择打印方式；

(2)选择打印基底的材料；

(3)解析打印图案，生成控制打印设备的指令；

控制装置接收指令，并据此控制所述液态金属打印机构的压力和温度、基板运动机构各部件的运动、电压脉冲调控机构的电压脉冲序列，实现图案打印。打印初始时，控制装置会首先控制加压装置对液态金属墨水施加压力，使得打印头有少量液态金属墨水流出，当液态金属墨水接触到打印基底时，在静电作用下，会随着基底的运动绘制线条。

本发明不仅仅限制于液态金属墨水，对于其它导电流体同样适用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种液态金属打印设备，其特征在于，所述设备包括：

液态金属打印机构、基板运动机构、电压脉冲调控机构以及控制装置，

所述液态金属打印机构，用于将液态金属墨水射流在打印基底上进行打印；

所述基板运动机构，与所述液态金属打印机构连接，用于承载所述打印基底，并根据所述控制装置发送的第一控制指令做出相应的运动，以调整所述打印基底的空间位置；

所述电压脉冲调控机构，与所述液态金属打印机构和所述基板运动机构连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令为所述液态金属打印机构和所述基板运动机构提供所需的电压脉冲；

所述控制装置，与所述液态金属打印机构、所述基板运动机构，及所述电压脉冲调控机构连接，用于根据输入的信息控制所述液态金属打印机构、所述基板运动机构，及所述电压脉冲调控机构。

2.根据权利要求1所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述液态金属打印机构包括：

液态金属墨盒，用于存储所述液态金属墨水；

打印头，与所述液态金属墨盒的底部出口连接；

电极装置，与所述电压脉冲调控机构的正极连接，用于使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水带上正电荷；

加压装置，设置于所述液态金属墨盒上，用于根据所述控制装置发送的第三控制指令提供压力，使得所述液态金属墨盒中的液态金属墨水向下运动，并从所述打印头射流至所述打印基底上。

3.根据权利要求2所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述液态金属打印机构还包括：

保温层，设置于所述液态金属墨盒的外表面上，用于保持所述液态金属墨盒内的温度；

其中，所述液态金属打印机构还包括：

加热件，设置于所述液态金属墨盒上；

温度传感器，设置于所述液态金属墨盒内，用于测量所述液态金属墨水的温度值；

控制器，与所述加热件和所述控制装置连接，用于根据所述控制装置根据所述液态金属墨水的温度值产生的第四控制指令控制所述加热件对所述液态金属墨盒中的液态金属墨水进行加热，使得所述液态金属墨水的温度达到预设温度。

4.根据权利要求3所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述加热件为电阻加热丝或电磁线圈，

所述电阻加热丝设置于所述液态金属墨盒及所述打印头内部，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部；

所述电磁线圈缠绕在所述液态金属墨盒及所述打印头的外表面，由所述液态金属墨盒的顶部延伸至所述打印头的底部。

5.根据权利要求2所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述电极装置为电极探针或金属电极环，

所述电极探针设置于所述液态金属墨盒内；

所述金属电极环设置于所述打印头的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述基板运动机构包括：

金属板，与所述电压脉冲调控机构的负极连接，用于固定所述打印基底；

载物台，用于承载所述金属板；

三轴运动机构，与所述控制装置连接，用于根据所述控制装置发送的第一控制指令在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向移动所述载物台，从而调整所述打印基底与所述液态金属打印机构中打印头的空间相对位置。

7.根据权利要求1所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述电压脉冲调控机构包括：

电压源，用于提供所述液态金属打印设备所需的电压；

电压调控装置，与所述电压源连接，用于根据所述控制装置发送的第二控制指令调整输出的电压脉冲；

其中，所述电压调控装置的正极与所述液态金属打印机构中的电极装置连接，所述电压调控装置的负极与所述基板运动机构中的金属板连接。

8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述液态金属墨水为以下中的至少一种：

镓、铟、锡、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金，以及金属或合金与各类导电纳米或微米颗粒的混合物。

9.根据权利要求1-7任意一项权利要求所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述打印基底的材料包括以下中的至少一者：

聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材、固体金属以及合金。

10.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的液态金属打印设备，其特征在于，所述液态金属打印设备的打印方式包括以下中的至少一种：

平面打印、不规则基底打印以及空间3D打印。