一种液态金属结合光敏树脂喷射成型的3D打印装置的制作方法

本实用新型涉及3D打印设备技术领域，特别是涉及一种液态金属结合光敏树脂喷射成型的3D打印装置。

背景技术：

3D打印技术是快速成型技术中的一种，又称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状材料比如金属粉末、尼龙粉末、石膏粉末、塑料线材、液态光敏树脂等为材料，通过程序代码控制，逐层打印堆叠的方式来构造物体的技术。

随着3D打印技术的不断发展，出现了各种类型的打印成型技术，包括：FDM打印技术、SLA光固化成型技术、DLP数字光处理成型技术、CLIP连续界面制造技术、Polyjet聚合物喷射技术、3DP三维印刷成型技术、LOM打印技术、SLS激光选择性烧结技术、SLM选择性激光熔化技术以及EBM电子束熔炼技术等。但是，这些打印方式制造出的模型零件大多数只具有结构性功能，而并不具有电子电路的功能。而对于结构性电子功能器件的打印制造，是未来3D打印技术发展的必然趋势。

金属与非金属混合打印，将会让增材制造技术从结构制造向功能制造迈出了一大步，相应装备在3D电子器件、智能机器、射频通信、科研教学等领域都具有广泛的应用价值。金属与非金属混合打印，使得整个制造过程可与非金属材料进行交替打印，由此实现各种电子电路功能器件，比如可穿戴设备的快速成型，使得目标终端装备的全自动化制造与组装成为可能。光敏树脂是一种被得到广泛运用的3D打印工业材料，自第一台商用3D打印机诞生以来，光敏树脂就成为3D打印耗材的重要部分，如今光敏树脂材料作为3D打印材料也有着举足轻重的地位。目前以光敏树脂为材料的3D打印方式主要有SLA光固化成型技术、DLP数字光处理成型技术、CLIP连续界面制造技术、Polyjet聚合物喷射技术以及MJP喷射技术等。然而这些技术类型均只能打印结构性的零部件，并不能进一步打印出带有电子电路功能性的结构件出来，仅仅实现了3D打印制造而并没有真正地实现3D打印制造。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种液态金属结合光敏树脂喷射成型的3D打印装置，以解决现有技术中并没有将液态金属与光敏树脂相结合后进行逐层打印，从而使得制造出的电子电路功能器件在作为结构件的同时，还具有导电功能的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种液态金属结合光敏树脂喷射成型的3D打印装置，包括：载物托盘，在所述载物托盘的上表面构造有待打印区域；喷头喷射打印机构，设置在所述载物托盘的上方，其中，所述喷头喷射打印机构的喷射面朝向所述待打印区域；运动控制机构，用于控制所述喷头喷射打印机构朝向所述待打印区域并在所述待打印区域的范围内进行3D打印；供墨机构，用于提供给所述喷头喷射打印机构进行3D打印用的液态金属和光敏树脂；以及UV光照结构，用于将喷头喷射打印机构喷射出来的光敏树脂进行固化成型。

其中，所述运动控制机构包括设置在所述载物托盘的上方并能带动所述喷头喷射打印机构相对所述载物托盘的水平横向进行左右运动的横向水平驱动轴。

其中，所述运动控制机构还包括设置在所述载物托盘的上方并能带动所述喷头喷射打印机构相对所述载物托盘的水平纵向进行前后运动的纵向水平驱动轴，其中，所述横向水平驱动轴的末端通过滑块与所述纵向水平驱动轴相连接。

其中，所述运动控制机构还包括设置在所述载物托盘上并能带动所述载物托盘沿纵向朝靠近和远离所述喷头喷射打印机构的方向进行运动的竖直驱动轴。

其中，所述喷头喷射打印机构包括设置在所述载物托盘的上方的喷头喷射打印壳体，在所述喷头喷射打印壳体的内部构造有容纳空间，在所述喷头喷射打印壳体的上端构造有敞开口，在所述喷头喷射打印壳体的底壁上构造有喷射孔。

其中，所述喷头喷射打印机构还包括设置在所述喷头喷射打印壳体的内部的第一竖向供液管道、与所述第一竖向供液管道相连通的储液器、与所述储液器相连通的供液管道、与所述供液管道相连通的储液槽，以及与所述储液槽相连通的第二竖向供液管道，其中，所述第二竖向供液管道的出口端嵌设在所述喷射孔内。

其中，所述喷头喷射打印机构还包括盖合在所述敞开口部位的弹性隔膜，在所述弹性隔膜的上表面安装有压电陶瓷片，其中，所述压电陶瓷片设置在所述储液槽的正上方。

其中，所述3D打印装置还包括能够对喷头喷射打印机构的打印进行控制的电路系统，其中，通过使得所述压电陶瓷片与所述电路系统电连接，以促使所述压电陶瓷片发生伸缩变形，从而将所述液态金属的液滴或所述光敏树脂的液滴经所述喷射孔喷出。

其中，所述第一竖向供液管道、所述喷射孔、所述供液管道、所述储液槽、所述第二竖向供液管道以及所述压电陶瓷片的个数均为多个，其中，各个所述储液槽均位于相应的所述压电陶瓷片的正下方，各个所述第二竖向供液管道的出口端均嵌设在相应的所述喷射孔内。

其中，所述供墨机构包括液态金属储液盒和光敏树脂储液盒，其中，所述液态金属储液盒和所述光敏树脂储液盒均通过黑管与相应的所述第一竖向供液管道连通，在所述黑管上安装有电磁泵；在所述液态金属储液盒和所述光敏树脂储液盒的内部均安装有恒温机构，所述恒温机构包括恒温加热电阻、热电偶或温度传感器。

(三)有益效果

本实用新型提供的3D打印装置，与现有技术相比，具有如下优点：

通过微喷喷射技术，在软件程序的控制下，按照指定的成型方式，将供墨机构中的液态金属液滴和对特定波长敏感的光敏树脂液滴输送到喷头喷射打印机构中，通过该喷头喷射打印机构朝向待打印区域，并在该待打印区域的范围内进行3D打印，即，喷射构建三维实体，通过UV光照结构固化光敏树脂，在成型三维实体的同时也将液态金属很好地封装了起来，从而实现了功能性电子电路功能器件的3D打印。由此可见，本申请在利用UV光照结构对光敏树脂进行固化成型的基础上，提出了将液态金属结合光敏树脂来完成3D打印的技术方案。液态金属常温下呈液态，具有高导电性和高导热性等的特点，使用液态金属材料结合光敏树脂材料通过微喷3D打印方式使得整个制造过程可实现金属材料与非金属材料进行交替打印，由此可实现各种电子电路功能器件的制造。光敏树脂与液态金属的混合打印，将会让增材制造技术从结构制造向功能制造迈出了一大步，此外，整个3D打印过程还具有快速、绿色化以及低成本的优点。

附图说明

图1为本申请的实施例的液态金属结合光敏树脂喷射成型的3D打印装置的整体结构示意图；

图2为图1的简化结构示意图；

图3为图1中的喷头喷射打印机构的内部结构示意图；

图4为图1中的喷头喷射打印机构的另一角度内部结构示意图。

图中，1：载物托盘；11：待打印区域；2：喷头喷射打印机构；21：喷头喷射打印壳体；22：喷射孔；23：第一竖向供液管道；24：储液器；25：供液管道；26：存液槽；27：第二竖向供液管道；28：弹性隔膜；29：压电陶瓷片；3：运动控制机构；31：横向水平驱动轴；32：纵向水平驱动轴；33：竖直驱动轴；4：供墨机构；41：液态金属储液盒；42：光敏树脂储液盒；5：UV关照结构；6：黑管；7：液态金属的液滴；8：光敏树脂的液滴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

如图1和图2所示，图中示意性地显示了该3D打印装置包括载物托盘1、喷头喷射打印机构2、运动控制机构3、供墨机构4以及UV光照结构5。

在本申请的实施例中，在该载物托盘1的上表面构造有待打印区域11。

喷头喷射打印机构2设置在该载物托盘1的上方，其中，该喷头喷射打印机构2的喷射面朝向该待打印区域11。

运动控制机构3用于控制该喷头喷射打印机构2朝向该待打印区域11并在该待打印区域11的范围内进行3D打印。

供墨机构4用于提供给该喷头喷射打印机构2进行3D打印用的液态金属和光敏树脂。

UV光照结构5用于将喷头喷射打印机构2喷射出来的光敏树脂进行固化成型。具体地，通过微喷喷射技术，在软件程序的控制下，按照指定的成型方式，将供墨机构4中的液态金属液滴和对特定波长敏感的光敏树脂液滴输送到喷头喷射打印机构2中，通过该喷头喷射打印机构2朝向待打印区域11，并在该待打印区域11的范围内进行3D打印，即，喷射构建三维实体，通过UV光照结构5固化光敏树脂，在成型三维实体的同时也将液态金属很好地封装了起来，从而实现了功能性电子电路功能器件的3D打印。由此可见，本申请在利用UV光照结构5对光敏树脂进行固化成型的基础上，提出了将液态金属结合光敏树脂来完成3D打印的技术方案。液态金属常温下呈液态，具有高导电性和高导热性等的特点，使用液态金属材料结合光敏树脂材料通过微喷3D打印方式使得整个制造过程可实现金属材料与非金属材料进行交替打印，由此可实现各种电子电路功能器件的制造。光敏树脂与液态金属的混合打印，将会让增材制造技术从结构制造向功能制造迈出了一大步，此外，整个3D打印过程还具有快速、绿色化以及低成本的优点。

在一个具体的实施例中，该UV光照结构可为UV紫光灯，容易理解，该UV光照结构还可为其它具有对光敏树脂进行固化功能的部件。

还需要说明的是，该UV光照结构5能够发出特定波长的UV紫光，例如波长范围为350纳米至455纳米之间。其中，UV光照结构5发出的UV光与所使用的光敏树脂有着特定的匹配波长，在喷头喷射机构2喷射出光敏树脂后，UV紫光会直射在喷射出来的光敏树脂上，从而将喷射出来的光敏树脂进行固化。

如图1所示，为进一步优化上述技术方案中的运动控制机构3，在上述技术方案的基础上，该运动控制机构3包括设置在该载物托盘1的上方并能带动该喷头喷射打印机构2相对该载物托盘1的水平横向进行左右运动的横向水平驱动轴31。具体地，通过该横向水平驱动轴31带动该喷头喷射打印机构2沿该横向水平驱动轴31进行左右方向的运动，从而可以实现该喷头喷射打印机构2向待打印区域11的左右方向进行喷射液态金属和光敏树脂，进一步地，实现电子电路功能器件在左右方向上的3D打印。

如图1和图2所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该运动控制机构3还包括设置在该载物托盘1的上方并能带动该喷头喷射打印机构2相对该载物托盘1的水平纵向进行前后运动的纵向水平驱动轴32，其中，该横向水平驱动轴31的末端通过滑块与该纵向水平驱动轴32相连接。具体地，通过该纵向水平驱动轴32带动该喷头喷射打印机构2沿该纵向水平驱动轴32进行前后方向的运动，从而可以实现该喷头喷射打印机构2向待打印区域11的前后方向进行喷射液态金属和光敏树脂，进一步地，实现电子电路功能器件在前后方向上的3D打印。

如图1和图2所示，在本申请的另一个优选的实施例中，该运动控制机构3还包括设置在该载物托盘1上并能带动该载物托盘1沿纵向朝靠近和远离该喷头喷射打印机构2的方向进行运动的竖直驱动轴33。具体地，通过该竖直驱动轴33带动该载物托盘1沿纵向朝靠近和远离该喷头喷射打印机构2的方向运动，从而可以实现该喷头喷射打印机构2向待打印区域11进行逐层喷射液态金属和光敏树脂，进一步地，实现电子电路功能器件在纵向方向上的3D打印。

需要说明的是，该横向水平驱动轴31、纵向水平驱动轴32以及竖直驱动轴33可分别由相应的伺服电机进行驱动。此外，在该横向水平驱动轴31、纵向水平驱动轴32以及竖直驱动轴33上分别安装有位置控制传感器(图中未示出)，该位置控制传感器用于控制喷头喷射打印机构2以及载物托盘1的极限运动位置。

该液态金属可为纳米银浆、金属镓、低熔点镓基合金、镓铟二元合金、镓铟锡三元合金、镓铟锡锌四元合金和含有铟的伍德合金中的一种或多种。

该光敏树脂可为低粘度光敏树脂，光敏树脂在正常状态下呈液态，内部含有对紫外光敏感的光固化成分，在接受特定波长的光线照射后，被照射区域的内部会发生化学反应，从而将液态光敏树脂固化成型。

如图1、图2和图3所示，为进一步优化上述技术方案中的3D打印装置，在上述技术方案的基础上，该喷头喷射打印机构2包括设置在该载物托盘1的上方的喷头喷射打印壳体21，在该喷头喷射打印壳体21的内部构造有容纳空间，在该喷头喷射打印壳体21的上端构造有敞开口，在该喷头喷射打印壳体21的底壁上构造有喷射孔22。

如图3所示，在上述技术方案的基础上，该喷头喷射打印机构2还包括设置在该喷头喷射打印壳体21的内部的第一竖向供液管道23、与该第一竖向供液管道23相连通的储液器24、与该储液器24相连通的供液管道25、与该供液管道25相连通的储液槽26，以及与该储液槽26相连通的第二竖向供液管道27，其中，该第二竖向供液管道27的出口端嵌设在该喷射孔22内。具体地，当供墨机构4中的液态金属或光敏树脂的量不够时，为保证3D打印的连续性，通过增设该储液槽26，从而可以有效地避免3D打印发生间断的情况。

此外，还需要说明的是，该第一竖向供液管道23为两个，分别连接相应的液态金属储液盒41和光敏树脂储液盒42。容易理解，在该液态金属储液盒41中装有液态金属，在该光敏树脂储液盒42中装有光敏树脂。

如图1、图2和图3所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该喷头喷射打印机构2还包括盖合在该敞开口部位的弹性隔膜28，在该弹性隔膜28的上表面安装有压电陶瓷片29，其中，该压电陶瓷片29设置在该储液槽26的正上方。需要说明的是，压电陶瓷片29为多个，即，在每一个喷射孔22的上方，都安装有一个压电陶瓷片29。

另外，该弹性隔膜28可由弹性材料制造而成，因而，该弹性隔膜28可随压电陶瓷片29发生弹性变形，进一步地，在弹性模量的作用下，将液态金属的液滴和光敏树脂的液滴经喷射孔22喷出。

在另一个实施例中，该3D打印装置还包括能够对喷头喷射打印机构2的打印进行控制的电路系统，其中，通过使得该压电陶瓷片29与该电路系统电连接，以促使该压电陶瓷片29发生伸缩变形，从而将该液态金属的液滴或该光敏树脂的液滴经该喷射孔22喷出。此外，还需要说明的是，该3D打印装置还包括与电路控制系统相连的计算机、控制喷头喷射打印机构2进行3D打印的控制软件和指令代码以及还包括用于对计算机与电路控制系统的打印工作状态进行反馈的反馈调节传感器(图中未示出)。具体地，喷头喷射打印机构2在分别沿着横向水平驱动轴31和纵向水平驱动轴32的方向进行运动时，喷头喷射打印机构2的自身接收到来自计算机发出的指令转化成的电压驱动信号，在电压驱动信号的作用下压电陶瓷片29发生变形伸缩，使喷射孔22中的光敏树脂的液滴8与液态金属的液滴9喷出。当喷射孔22喷射出的光敏树脂的液滴8作用在载物托盘1的上表面后，使用UV光照结构5直射在喷射出来的光敏树脂上，从而固化喷射出来的光敏树脂。而喷射出来的液态金属的液滴7会附着在固化了的光敏树脂上。如此层层叠加，便会形成带有导电功能的液态金属打印成型结构。光敏树脂继续喷射覆盖住液态金属的打印成型结构的上表面，在UV光照结构5的照射下固化成型，从而达到将液态金属的打印成型结构进行完美封装的效果。

继续逐层打印，最终载物托盘1上打印成型的液态金属与光敏树脂构成的结构件便组成了最终的结构性电路功能器件。

如图4所示，在一个优选的实施例中，该第一竖向供液管道23、该喷射孔22、该供液管道25、该储液槽26、该第二竖向供液管道27以及该压电陶瓷片29的个数均为多个，其中，各个该储液槽26均位于相应的该压电陶瓷片29的正下方，各个该第二竖向供液管道27的出口端均嵌设在相应的该喷射孔22内。也就是说，通过增设多个喷射孔22，从而可以实现液态金属的液滴与光敏树脂的液滴的均匀喷射，从而有效地提高了喷头喷射打印机构2在单位时间内的3D打印效率。

在本申请的另一个优选的技术方案中，该供墨机构4包括液态金属储液盒41和光敏树脂储液盒42，其中，该液态金属储液盒41和该光敏树脂储液盒42均通过黑管6与相应的该第一竖向供液管道23连通，在该黑管6上安装有电磁泵(图中未示出)。在该液态金属储液盒41和该光敏树脂储液盒42的内部均安装有恒温机构，该恒温机构包括恒温加热电阻、热电偶或温度传感器。具体地，该液态金属储液盒41用于装有液态金属，该光敏树脂储液盒42用于装有光敏树脂。此外，为避免外界光对液态金属和光敏树脂造成影响，该液态金属储液盒41和光敏树脂储液盒42的颜色可为黑色。上述电磁泵的设置，能够方便将液态金属储液盒41中的液态金属以及光敏树脂储液盒42中的光敏树脂分别输送到喷头喷射打印机构2中，以用于完成电子电路功能器件的3D打印。

此外，需要说明的是，该保温机构包括恒温加热电阻或热电偶或温度传感器，该保温机构用于保持整个3D打印的大环境能够时刻处在适当的温度范围内，进一步地，保证3D打印成型的电子电路功能器件的成型精度。

综上所述，通过微喷喷射技术，在软件程序的控制下，按照指定的成型方式，将供墨机构4中的液态金属液滴和对特定波长敏感的光敏树脂液滴输送到喷头喷射打印机构2中，通过该喷头喷射打印机构2朝向待打印区域11，并在该待打印区域11的范围内进行3D打印，即，喷射构建三维实体，通过UV光照结构5固化光敏树脂，在成型三维实体的同时也将液态金属很好地封装了起来，从而实现了功能性电子电路功能器件的3D打印。由此可见，本申请在利用UV光照结构5对光敏树脂进行固化成型的基础上，提出了将液态金属结合光敏树脂来完成3D打印的技术方案。液态金属常温下呈液态，具有高导电性和高导热性等的特点，使用液态金属材料结合光敏树脂材料通过微喷3D打印方式使得整个制造过程可实现金属材料与非金属材料进行交替打印，由此可实现各种电子电路功能器件的制造。光敏树脂与液态金属的混合打印，将会让增材制造技术从结构制造向功能制造迈出了一大步，此外，整个3D打印过程还具有快速、绿色化以及低成本的优点。

以上该仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。