一种用于增减材制造的一体化喷印装置的制作方法

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。

此外，等离子体是一种多粒子系统，包含大量高能电子、离子和中性粒子，与材料表面的撞击时会将其部分能量传递给表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。一些粒子还会注入到材料表面引起碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化及非晶化，从而改变材料的表面性能。目前已报导的等离子体气体有cf4、c2f6、cf3h、cf3cl、cf3br、nh3、n2、no、o2、h2o、co2、so2、h2/n2、cf4/o2、o2/he、he、ar、kr、ne等等，研究表明：等离子体处理能够改善高分子材料的表面性能，包括染色性、亲疏水性，导电性、表面固化等，而在电流体喷印过程中，经常需要对所喷印的墨水进行亲疏水性、导电性、表面固化的处理，因此，电喷印过程中的等离子体表面改性具有极高的应用价值。

鉴于等离子体射流技术在刻蚀、加热固化、表面处理等方面的优势，以及结合电流体喷印技术后引出的增减材复合加工、电喷印表面处理带来的加工效率、材料性能的提升，开发一套集成等离子体技术的电喷印装置，研究出增减材加工一体化的加工工艺，以及应用于电喷印过程中的等离子体表面改性工艺，在mems加工制造及电流体喷印领域都具有极大的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种集成等离子体射流技术的电喷印装置及工艺方法，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，解决现有技术存在单独增材制造加工效率低下，需要进行表面二次处理，增材加工后需要另外进行烧结处理，静电纺丝图案化过程中难以切断等技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种集成等离子体射流技术的电喷印装置，包括喷头、高压电源、收集基板和进液筒；其中：

所述进液筒为一封闭容器，用于储放电喷印墨液，其筒体顶部设有通孔，用于外接空气进气管引入空气；进液筒下端设有出液通孔，用于连接所述喷头，向其提供电喷印墨液；

所述喷头包括金属制成的墨液输送针头和放电气体储气管，所述墨液输送针头的上端与进液筒的出液通孔配合，用于导入进液筒储存的电喷印墨液；墨液输送针头的下端为细长针管，该针管中轴线与放电气体储气管中轴线重合；

所述放电气体储气管上端与金属墨液输送针头配合嵌为一体，两者之间构成一个封闭腔体；放电气体储气管侧壁开设有进气孔，用于连接放电气体进气管以引入放电气体；放电气体储气管下端开有等离子体射流喷口，用于等离子体射流喷出；所述墨液输送针头末端针管接近所述等离子体射流喷口，用于经由该喷口喷出电喷印墨液；

所述高压电源接地极与收集基板相连，高压电源输出与墨液输送针头连接，用于激发放电气体储气管内的放电气体产生等离子体，并提供电喷印所需的电场；

工作时，空气进气管压入空气，电喷印墨液在空气压力的作用下由储液筒流入墨液输送针头到达针管；通入高压电的墨液输送针头与接地的收集基板在所述针管末端和收集基板之间的狭小空间中形成强电场，和墨液表面张力的共同作用促使墨液经过墨液输送针头的针管末端向收集基板沉积；同时，放电气体储气管里面的放电气体与带有高压电的墨液输送针头在储气管里接触，放电气体电离形成等离子体，并在放电气体进气端压力的作用下经由放电气体储气管底部等离子体射流喷口流出，形成等离子体射流。

进一步的，所述放电气体进气口和墨液输送针头上端之间的放电气体储气管段，设有密封环，用于限制放电气体空间，并辅助实现墨液输送针头的金属针管轴线与放电气体储气管的轴线重合；所述密封环为中空结构，用于所述针管穿过。

进一步的，所述墨液输送针头上端的凹形槽设有外螺纹，放电气体储气管上端的凹形槽设有内螺纹，两者通过螺纹密封连接；所述墨液输送针头上端凹形槽结构，其内壁开有内螺纹；进液筒下端为圆形通孔，其外表面设有外螺纹，两者形成螺纹密封连接。

进一步的，所述墨液输送针头针管末端与放电气体储气管底部等离子体射流喷口的垂直相对位置关系可调，可在该喷口外部，内部或者与该喷口平齐。

进一步的，所述的一种组合喷头，该喷头为两个单独喷头的组合，其中一个接进液筒，不接放电气体，只进行电喷印；另外一个不接进液筒，只接放电气体，不接空气，只用于等离子体烧结或刻蚀；组合喷头上端的墨液输送针头加工在同一结构上。

进一步的，通过选择性的控制打开和关闭放电气体进气管和空气进气管，可实现电流体喷印加工与等离子体加工的快速切换，实现单独的电喷印或单独的等离子体刻蚀；或者在电喷印加工的同时进行等离子体加工改性，实现对电喷印材料表面进行等离子体改性。

进一步的，所述电喷印装置换上组合喷头后，可实现对喷出的电喷印材料随后用高温等离子体进行烧结固化。

进一步的，所述组合喷头中，一个喷头进行喷印沉积(增材)，另一个喷头进行刻蚀(减材)，用于在不能打断的纺丝纤维制作中采用刻蚀喷头进行选择性打断，从而实现对喷出的纺丝纤维进行图案化刻蚀。

进一步的，所述电喷印装置换上组合喷头后，喷印喷液和刻蚀喷头调整至不在同一运动轨迹上，可将一层材料上面喷印一层，下面刻蚀一层，变成两层结构；或者两层结构快速加工成三层结构，实现多层结构的快速制备。

进一步的，采用多个所述电喷印装置，阵列化配备，能用于快速实现大面积的复杂结构的制备。

本发明通过通过设计集成喷头，实现了电喷印加工与等离子体刻蚀加工的单独加工与联合加工多种模式：集成喷头中不通入放电气体，并向储液筒中注入墨液及打开通入空气的开发，此时实现单独的电喷印工艺；集成喷头中通入放电气体，并关闭空气输入通道，此时实现单独的等离子体射流刻蚀加工；同时打开放电气体输入通道与空气输入通道，此时实现等离子体的联合加工，利用等离子体表面改性工艺，可实现在电喷印过程中对材料进行表面改性；利用组合喷头，通过调节组合喷头在运动轨迹的前后位置上，调高输入电压的频率，利用高频电压等离子体产生的高热能，实现电喷印图案的烧结固化；利用组合喷头，调节组合喷头在运动轨迹的前后位置上，通过选择性开关等离子体高压输入，可实现对电喷印纺丝纤维的等离子体选择性刻蚀；利用组合喷头，调节组合喷头在运动轨迹的垂直位置上，利用增减材同时加工工艺，可实现多层结构的加工；通过所发明装置阵列化布置，可实现多重不同复杂结构的阵列化加工。

综上所述，本发明可用于设计出一套能进行增减材制造一体化的加工装置及加工方法，可在加工过程中对电喷印材料进行实时等离子体表面改性、高温烧结，及同步进行增减材加工以实现复杂纺丝纤维图案化、多层复杂结构的快速成型，丰富了加工模式，且极大的提升了加工效率。解决现有技术存在单独增材制造加工效率低下，需要进行表面二次处理，增材加工后需要另外进行烧结处理，静电纺丝图案化过程中难以切断等技术问题。

附图说明

图1是本发明中提到的喷头剖面示意图；

图2是喷头中墨液输送针头的俯视图；

图3是本发明中提到的增减材一体化装置的工作示意图；

图4是等离子体对聚四氟乙烯薄膜改性前后亲水性变化示意图；

图5是组合喷头剖面示意图；

图6是组合喷头中的墨液输送针头的俯视图；

图7是增减材一体化的复合装置工作示意图；

图8是等离子体选择性刻蚀叉指电极示意图；

图9是增减材一体化的阵列化装置工作示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-9所示，一种集成等离子体射流技术的电喷印装置，包括墨液输送针头(1)、放电气体进气孔(2)、放电气体储气管(3)、放电气体密封圈(4)、空气进气管(5)、储液筒密封盖(6)、储液筒(7)、电喷印墨液(8)、放电气体进气管(9)，喷头(10)，高压电源(11)、收集基板(12)、组合喷头(13)。

进液筒(7)为一容器，用于储放电喷印墨液(8)，其上端用储液筒密封盖(6)嵌合密封，储液筒密封盖(6)上接空气进气管(5)，用于引入空气压力用于控制电流体喷印墨液(8)注入流量；进液筒(7)下端接所述喷头模块(10)，用于向其提供电喷印墨液。作为一种选择，所述进液筒为普通塑料制圆形注射筒，其顶端有一带密封圈的顶盖，顶盖与注射筒之间用旋转的方式相互嵌合固定，顶盖上的气管与气压供给装置连接，通过调节气压供给端压力的大小实现对墨液供给流量的调控，进液筒的底端通过螺纹与集成喷头模块相互连接。

喷头模块(10)，包括墨液输送针头(1)、放电气体储气管(3)、环形密封圈(4)、放电气体进气孔(2)；其中：

墨液输送针头(1)内壁开有内螺纹，与进液筒(7)形成螺纹连接，将进液筒(7)储存的电喷印墨液(8)传输到针头。墨液输送针头(1)外壁开有外螺纹，实现与放电气体储气管(3)的连接，此处的螺纹连接还可以调整墨液输送针头(1)针尖与放电气体储气管(3)下端等离子体射流喷口的相对位置。放电气体储气管(3)下端开设离子体射流喷口，用于喷出等离子体射流和电喷印射流；放电气体储气管(3)侧壁开设有放电气体进气孔(2)，连接放电气体进气管(9)，用于引入放电气体，并控制放电气体放电后形成的等离子体射流流量；墨液输送针头(1)为金属材料，用于外接高压电源(11)，接上高压电的金属针头，不仅能够用于电流体喷印，而且能够与放电气体接触，将气体放电形成等离子体。放电气体的供给用于实现特定化学氛围等离子体发生的需要。本实施例中，储气管为绝缘且透明材料制成，其上端通过螺纹与墨液输送针头顶端固定，此处的螺纹连接除了固定还可以调节针头底端与储气管底部出口的相对位置，。储气管上部有用于密封放电气体的环形密封圈，此外，密封圈还可以调整输液针头在储气管中的位置，使其大致保持在同一轴心。储气罐侧壁上开有一个放电气体的进气孔，其通过螺纹及密封胶带连接到进气管，实现放电气体的供给。

高压电源(11)由函数发成器及电压放大器组成，函数发生器端输出给定波形频率的电信号，并输入到电压放大器，并经由电压放大器放大至上千伏，以生成电喷印设备所需的电场及将等离子体混合气体放电使其到达高能量状态。常规状态下，电喷印加工与等离子体加工都需要高电压输入，本装置巧妙的使用一套高压生成装置给电喷印加工和等离子体加工同时提供高压输入，既可以实现单独的电喷印加工或者单独的等离子体加工，还可以利用一套喷头实现电喷印加工中的喷印材料等离子体改性，也可以利用多套喷头实现增材与减材的同时加工，以用于多层结构的快速成型。

收集基板(12)放置在由xy两个方向的伺服电机控制的模组平台上，收集基板(12)接地，与高压正电在空间中形成强电场。收集基板由计算机控制进行图案化的位置运动，通过与喷头的配合进行电喷印及等离子体射流的图案化沉积。

本装置可实现的工艺方法包括：电喷印过程表面改性工艺，电喷印材料后续烧结工艺，结合等离子体与电喷印工艺的增减材复合加工工艺。

本装置实现了电喷印加工与等离子体加工的快速切换。如图3所示，电流体喷印加工时，将喷印墨液(8)注入储液筒(7)，同时合上储液筒密封盖(6)，此时开启空气输入端口(5)，并关闭放电气体输入端口(2)，调节储气管(3)与墨液输送针头(1)的连接螺纹来调节墨液输送针头(1)针尖与储气管(3)等离子体射流喷口的相对位置，电喷印情况下建议将墨液输送针头(1)针尖伸出储气管(3)等离子体射流喷口，以便于观察形成的泰勒锥。当切换到等离子体加工时，关闭空气输入端口(5)，打开放电气体输入端口(2)，同样通过调节储气管(3)与墨液输送针头(1)的连接螺纹来调节墨液输送针头(1)针尖与储气管(3)小孔的相对位置，这时候应该将墨液输送针头(1)针尖放在储气管(3)小孔里面的适当位置，通过墨液输送针头(1)传递的高电压，作用于氦气氧气实现电离，从而实现等离子体加工工艺，这样，两种工艺利用同一装置即可方便的实现。

进一步如图3所示，该装置还可实现电流体喷印加工中，将喷印材料用等离子体工艺进行材料改性，具体操作是喷印过程中同时打开开启空气输入端口(5)、放电气体输入端口(2)，并将墨液输送针头(1)针尖放在储气管(3)小孔里面的适当位置，在喷印过程中，电喷印的高分子墨液(8)材料暴露在等离子体环境下，实现表面改性目的，如图4所示。

如图5所示，装置(13)为组合喷头，该组合喷头接在一个储液筒(7)上，此时将与储液筒(7)连接的喷头称作主喷头，而单独连接的称为从喷头。主喷头因为与储液筒(7)连接，可进行电喷印加工，从喷头未安装储液筒(7)，故而只能进行等离子体加工，此时放电气体进气管(9)应接入从喷头的放电气体输入端口(2)，空气进气管(5)应接在主喷头端口上。

组合喷头(13)接入所述装置后，如图7所示，可用于加工多层微结构。具体实现是控制主从喷头的装夹位置关系，使主喷头和从喷头不在同一运动线路上，而是并列于电机运动方向上，此时通过控制电、气体的供给使主喷头进行电喷印加工，而从喷头进行等离子体刻蚀加工，从而实现多层微结构的制造。

进一步的，组合喷头(13)接入所述装置后，如图7所示，还可实现在电流体喷印加工中对喷印沉积材料进行等离子体高温烧结以实现固化。具体实现是控制主从喷头的装夹位置关系，使主从喷头的位置关系始终与电机运动轨迹在同一直线上，此时通过控制电压、气体的供给使主喷头进行电喷印加工，后面的从喷头将刚喷印的图案化墨液进行等离子体高温烧结，从而实现喷印沉积材料的高温固化目的。

进一步的，组合喷头(13)接入所述装置后，如图7所示，还可实现对电流体喷印的图案进行选择性刻蚀。具体实现是使主喷头和从喷头在同一运动线路上，此时主喷头进行静电纺丝工艺，后面的从喷头将刚喷印的图案化纺丝纤维在不需要的地方进行选择性等离子体刻蚀，从而通过增减材工艺的联合应用，实现复杂的图案化沉积，如图8所示。两个喷头，前面的喷头按图中的图案进行喷印(纺丝)，电喷印自己不能将其截断，这时后面的喷头根据控制信号可以选择性的刻蚀调一部分图案，途中白色的部分就是被刻掉的部分，其实是没有线的，为了显示效果，留下了印记。

图9示出根据不同的控制方案，该装置还可以实现阵列化集成加工装置，即集成多个该单独装置，同时进行阵列化增减材加工工艺，实现各类微结构图案的高效加工，实现多重不同复杂结构的阵列化加工工艺。各类微结构具体可分为以下几种：

所有阵列化喷头全部进行电流体喷印工艺实现大面积凸台微结构的增材制造，此时关闭阵列化喷头的所有等离子体气体输入端口(2)，打开所有空气输入端口(5)，并且将电喷印墨液(8)注入储液筒(7)。

所有阵列化喷头全部进行等离子体刻蚀工艺实现大面积沟槽微结构的减材制造，此时打开阵列化喷头的所有等离子体气体输入端口(2)，关闭所有空气输入端口(5)。

部分喷头进行等离子体刻蚀工艺，另一部分喷头进行电流体喷印工艺，实现有凸台及凹槽的阵列化微结构集成制造。此时选择性的控制打开和关闭阵列化喷头的所有等离子体气体输入端口(2)和空气输入端口(5)以及往储液筒(7)中注入电喷印墨液(8)。

所有不同类结构制造能实现高压电的并用，仅仅是通过控制墨液的供给及气流的供应来实现的，在控制上可简单、方便的予以实现。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。