用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机及其工作方法技术

本公开提供了一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机及其工作方法，本公开能够实现多种不同材料、宏/微/纳多尺度复合薄膜一体化制造；实现多种不同材料、具有复杂图案薄膜、宏/微/纳多尺度复合薄膜一体化集成制造；以及具有生产成本低、普适性好、效率高、工艺简单、适合批量化制造的特点。适合批量化制造的特点。适合批量化制造的特点。

【技术实现步骤摘要】
用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机及其工作方法


[0001]本公开属于3D打印和微纳复合薄膜制造
，具体涉及一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机及其工作方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]多材料微纳复合薄膜是指由多种不同材料的微尺度厚度薄膜和纳尺度厚度薄膜或者微纳图案/结构薄膜组成的多层复合薄膜(功能薄膜)。通常划分为以下三类：(1)多种不同材料、宏/微/纳多尺度厚度的多层复合薄膜(多材料和多尺度复合薄膜)；(2)相同材料、宏/微/纳/多种尺度厚度薄膜组成的多层复合薄膜(多尺度复合薄膜)；(3)多种不同材料、宏/微/纳多尺度厚度、微/纳图案薄膜组成的多层复合薄膜(多材料、多尺度、微纳图案复合薄膜)。微纳复合薄膜在传感器、痕量气体探测、可穿戴设备、嵌入式电子、柔性电子、太阳能电池、超级电容器、柔性显示屏、智能材料与结构、软体机器人等诸多领域具有非常广泛的应用前景。随着科技进步，越来越多领域和产品需要不同材料、不同厚度包含微纳结构的多层复合薄膜(或者包含微纳尺度厚度的多层复合膜)，以满足不同的功能需求和实际应用需要。同时对多材料微纳复合薄膜的制造也提出了越来越苛刻的要求。多材料微纳复合薄膜制造的基本要求包括：生产成本低；适合材料种类广泛(例如导电材料、介电材料、半导体材料、有机材料、无机材料、纳米材料等，其黏度范围为1
‑
40000cp)；效率高，普适性和工艺柔性好；能够实现大面积多种尺度厚膜和微纳复合结构一体化(集成)制造。
[0004]目前复合结构薄膜制造技术有浇铸、旋涂、提拉法、刮涂法、辊涂法、气相沉积法、自组装法等。其中，浇铸是最为传统的一种薄膜制作方法，其不需要特殊装置，操作简单，良率较高等优势，但是其只适合厚度较大的薄膜。旋涂、提拉、刮涂工艺制备薄膜具有工艺简单，快速且薄膜厚度精准可控的优点，但是难以实现图案化薄膜/结构的制作，尤其材料局限于粘度较小的材料，材料浪费严重。气相沉积具有适用材料较广，且可制造不同微结构薄膜的优势，但是生产成本高，需要专用的靶材，而且存在生产条件和环境苛刻(例如高温、高压等)，效率低，无法实现薄膜连续生产的问题，只适合纳米尺度薄膜，不适合微尺度等厚膜制造。自组装法与其它方法工艺比较简单，无须特殊装置，可以利用连续沉积不同成分制备膜层间二维甚至三维比较有序的结构，实现膜的光、电、磁等功能，但无法实现复杂结构图案的制造，尤其是无法满足批量化生产的要求。
[0005]综上所述，现有的这些技术都还无法满足多材料微纳复合薄膜制造要求：(1) 难以实现多种不同材料微纳多尺度厚度复合薄膜制造，尤其是无法实现粘度范围较宽的材料(1
‑
40000cp)、复合材料、陶瓷材料等的微纳复合薄膜制造；(2) 无法实现微纳复合薄膜的一体化(集成)制造(不同材料微尺度和纳尺度薄膜的集成制造)；(3)难以实现有机聚合物材料、无机陶瓷材料、金属材料薄膜的一体化制造；(4)尤其难以实现不同材料微纳复合薄膜(含有复杂微纳几何图案或者结构)的高效、低成本制造。

技术实现思路

[0006]本公开为了解决上述问题，提出了一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D 打印机及其工作方法，本公开能够实现多种不同材料、宏/微/纳多尺度复合薄膜一体化制造；实现多种不同材料、具有复杂图案薄膜、宏/微/纳多尺度复合薄膜一体化集成制造；以及具有生产成本低、普适性好、效率高、工艺简单、适合批量化制造的特点。
[0007]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0008]一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机，包括底板、打印平台、可运动模组、精密狭缝涂布模块、调节支架和若干打印模组，其中：
[0009]所述底板上设置有打印平台、可运动模组和调节支架，所述可运动模组上设置有打印模组，所述可运动模组能够带动各打印模组中的打印喷头相对于所述打印平台三维位置可变；
[0010]所述打印模组至少有两组，分别利用电场驱动喷射沉积3D打印技术，用于图案化薄膜的制造，以及利用电喷雾技术，用于微尺度/纳尺度薄膜的制造；
[0011]打印模组，包括打印喷头、供料单元和高压电源，所述供料单元用于给对应的打印喷头提供打印原料，所述高压电源用于提供对应打印喷头相匹配的电源；
[0012]至少一个打印模组还包括背压单元，用于提供对应打印喷头相匹配的打印压力；
[0013]所述精密狭缝涂布模块设置于所述调节支架上，与第三供料单元和第二背压单元连接，第三供料单元和第二背压单元分别用于提供精密狭缝涂布模块一定的压力和电场，用于微尺度和亚微尺度薄膜的制造。
[0014]上述方案，通过较为巧妙的设计，将电场驱动喷射沉积微纳3D打印、电喷雾、精密狭缝涂布技术结合在一起，通过一个设备即可实现宏尺度/微尺度/纳尺度结构、微尺度/纳尺度薄膜以及微尺度和亚微尺度薄膜的制造。
[0015]作为可选择的实施方式，所述可运动模组包括X、Y和Z轴运动模组，Y轴运动模组设置于底板上，其上设置有打印平台，能够带动打印平台Y向移动；所述X轴运动模组和Z轴运动模组均设置于机架上，所述机架底部设置于底板上，且X轴运动模组和Z轴运动模组垂直设置，Z轴运动模组上设置有打印模组的打印喷头。
[0016]作为进一步的限定，所述Z轴运动模组上设置有打印喷头支架，所述打印喷头支架用于固定各个打印喷头。
[0017]作为进一步的限定，所述打印喷头支架上连接有观测支架，所述观测支架上设置有观测定位模块，用于观测打印喷头的打印情况。
[0018]作为进一步的限定，所述打印喷头支架上还设置有固化模块。
[0019]作为可选择的实施方式，所述打印平台包括真空吸附平台、加热板、调平装置和隔热块，所述加热板上方与真空吸附平台相连，加热板下方设置有调平装置，调平装置下端设置有隔热块。
[0020]作为进一步的限定，所述真空吸附平台用以固定基材，所述加热板的温度范围为0
‑
300℃；所述调平装置用于调整真空吸附平台的高度，保持其水平，所述隔热块为绝缘隔热材料。可以为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等。
[0021]作为可选择的实施方式，所述调节支架包括涂布支架、可压缩弹簧和两个微分尺，涂布支架的底端安装在底板上，涂布支架上设置精密狭缝涂布模块，所述涂布支架的立柱
上缠绕有可伸缩弹簧，且可伸缩弹簧的顶端与精密狭缝涂布模块抵接，底端与底板抵接；
[0022]所述涂布支架上，在精密狭缝涂布模块两侧，分别设置有两个微分尺，微分尺均与精密狭缝涂布模块接触。
[0023]作为进一步的限定，所述涂布支架包括两个并排设置的立柱，以及套接在两个立柱上端的横杆，所述微分尺垂直安装在涂布支架的横杆上，所述可伸缩弹簧缠绕在立柱上，通过微分尺调整靠近一侧的立柱与横杆的接触位置，以保证精密狭缝涂布模块垂直于打印平台。
[0024]作为可选择的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机，其特征是：包括底板、打印平台、可运动模组、精密狭缝涂布模块、调节支架和若干打印模组，其中：所述底板上设置有打印平台、可运动模组和调节支架，所述可运动模组上设置有打印模组，所述可运动模组能够带动各打印模组中的打印喷头相对于所述打印平台三维位置可变；所述打印模组至少有两组，分别利用电场驱动喷射沉积3D打印技术，用于图案化薄膜的制造，以及利用电喷雾技术，用于微尺度/纳尺度薄膜的制造；打印模组，包括打印喷头、供料单元和高压电源，所述供料单元用于给对应的打印喷头提供打印原料，所述高压电源用于提供对应打印喷头相匹配的电源；至少一个打印模组还包括背压单元，用于提供对应打印喷头相匹配的打印压力；所述精密狭缝涂布模块设置于所述调节支架上，与第三供料单元和第二背压单元连接，第三供料单元和第二背压单元分别用于提供精密狭缝涂布模块一定的压力和电场，用于微尺度和亚微尺度薄膜的制造。2.如权利要求1所述的一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机，其特征是：所述可运动模组包括X、Y和Z轴运动模组，Y轴运动模组设置于底板上，其上设置有打印平台，能够带动打印平台Y向移动；所述X轴运动模组和Z轴运动模组均设置于机架上，所述机架底部设置于底板上，且X轴运动模组和Z轴运动模组垂直设置，Z轴运动模组上设置有打印模组的打印喷头；或，所述Z轴运动模组上设置有打印喷头支架，所述打印喷头支架用于固定各个打印喷头；或，所述打印喷头支架上连接有观测支架，所述观测支架上设置有观测定位模块，用于观测打印喷头的打印情况；或，所述打印喷头支架上还设置有固化模块。3.如权利要求1所述的一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机，其特征是：所述打印平台包括真空吸附平台、加热板、调平装置和隔热块，所述加热板上方与真空吸附平台相连，加热板下方设置有调平装置，调平装置下端设置有隔热块。4.如权利要求1所述的一种用于多材料微纳复合薄膜制备的3D打印机，其特征是：所述调节支架包括涂布支架、可压缩弹簧和两个微分尺，涂布支架的底端安装在底板上，涂布支架上设置精密狭缝涂布模块，所述涂布支架的立柱上缠绕有可伸缩弹簧，且可伸缩弹簧的顶端与精密狭缝涂布模块抵接，底端与底板抵接；所述涂布支架上，在精密狭缝涂布模块两侧，分别设置有两个微分尺，微分尺均与精密狭缝涂布模块接触；或进一步的，所述涂布支架包括两个并排设置的立柱，以及套接在两个立柱上端的横杆，所述微分尺垂直安装在涂布支架的横杆上，所述可伸缩弹簧缠绕在立柱上，通过微分尺调整靠近一侧的立柱与横杆的接触位置，以保证精密狭缝涂布模块垂直于...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，李鹏飞，许权，赵佳伟，于志浩，朱晓阳，
申请(专利权)人：青岛五维智造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：