倒置式液态金属喷涂打印装置及打印方法

摘要

本发明提供一种倒置式液态金属喷涂打印装置，包括送风单元、雾化单元、喷涂腔、回收池，所述喷涂腔的侧壁上方开有气雾进口，喷涂腔底部开有气雾出口；所述送风单元的出风管道和雾化单元的气雾管路均连接于所述喷涂腔的气雾进口；喷涂腔的气雾出口通过管路连接所述回收池；所述喷涂腔的顶部设置有放置掩膜和基底材料的开口。本发明提出的倒置式液态金属喷涂打印方法及装置，能够更好的避免液态金属微滴对周围环境的沾污和污染，也能够通过自动回收提高液态金属喷涂中的材料使用效率，加热控温装置还扩大了可选用的液态金属材料范围，适于对液态金属印制电路的快速批量化制作。

说明书

技术领域

本发明属于印刷领域，具体涉及一种金属喷涂打印的方法及采用的装置。

背景技术

液态金属是一系列低熔点金属及合金材料的统称，作为一种导电材料，由于可以在室温或较低的加热温度下就兼具流动性，因此液态金属可以被直接印制于各类基底材料表面，从而实现电子线路的快速增材制造。相对于传统覆铜印制电路的加工，液态金属印制电路速度快、适于多种基材且具有柔性；此外，液态金属印制电路相对传统的铜腐蚀电路，加工过程更加节能环保，在回收上也具有独特优势。

目前液态金属的印制方式大致可以分为直写和喷涂两种类型。直写法受打印头数量及尺寸限制，并不适合短时间内批量化印制液态金属电路；喷涂法可以与掩膜结合，能够对掩膜覆盖区域进行印制，并在完成后只通过更换基底就可以快速进行下一次印制，因此更加适合统一规格的液态金属印制电路的批量化生产。

然而，由于喷涂法需要通过雾化装置将液态金属雾化为微滴，因而在传统的喷涂打印设备中，飘散的微滴不仅会覆盖掩膜及漏出的基底材料上，也会飘散到喷涂操作空间的侧壁，甚至飘散至开放空间，容易造成设备的沾污与环境的污染，甚至会因为微滴飘散至操作者的呼吸道及粘膜而对其健康产生不利的影响；另一方面，由于缺少温控装置，因此传统的喷涂设备无法对熔点高于室温的金属或合金进行喷涂，也限制了这一方法的应用范围。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提出一种倒置式 液态金属喷涂打印装置。

本发明的另一目的是提出一种倒置式液态金属喷涂打印方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种倒置式液态金属喷涂打印装置，包括送风单元、雾化单元、喷涂腔、回收池，所述喷涂腔的侧壁上方开有气雾进口，喷涂腔底部开有气雾出口；所述送风单元的出风管道和雾化单元的气雾管路均连接于所述喷涂腔的气雾进口；喷涂腔的气雾出口通过管路连接所述回收池；所述喷涂腔的顶部设置有放置掩膜和基底材料的开口。

进一步地，所述雾化单元连接有液态金属容器，所述液态金属容器内放置熔点在200摄氏度以下的金属材料、或熔点在200摄氏度以下的金属材料和纳米或微米颗粒复合的材料。

其中，所述金属材料选自镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋铟锡锌合金中的一种。

其中，所述雾化单元设置有高压气体喷头，所述高压气体喷头连接所述气雾管路。所述喷涂腔的内壁材料包括经过抛光等处理的低表面粗糙度材料。例如，所述喷涂腔的内壁材料为金属、陶瓷、玻璃、尼龙、聚四氟乙烯材料中的一种或多种。

所述的倒置式液态金属喷涂打印装置，还设置有加热控温单元，所述加热控温单元包括设置在所述送风单元、雾化单元、喷涂腔、回收池下方的电加热元件。

一种倒置式液态金属喷涂打印方法，采用本发明提出的打印装置，包括步骤：

1)在所述喷涂腔的顶部开口处放置掩膜和基底，基底位于掩膜的上方，喷涂腔、掩膜和基底接触位置保持密封；

2)开启送风单元，喷出气流，然后将液态金属注入雾化单元，液态金属形成液滴，在气流输送下充满喷涂腔；

3)基底上的喷涂结束后，关闭送风单元和雾化单元；从回收池内收集液态金属。

其中，所述基底的材料为高分子聚合物、纸张、玻璃、陶瓷、布料、木材、固体金属、合金中的一种，所述高分子聚合物选自聚乙烯(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)及硅胶、橡胶中的一种。

其中，在所述回收池内放置回收液，所述回收液选自水、电解质、非电解质、有机溶剂，熔化状态下的液态金属中的一种或多种。

例如，所述回收液可以是氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液。

所述掩膜的材料包括经过抛光等处理的低表面粗糙度材料，如金属、陶瓷、玻璃、尼龙、聚四氟乙烯材料中的一种或多种。

其中，所述加热控温单元的温度控制范围为15-300摄氏度。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的倒置式液态金属喷涂打印方法及装置，利用倒置及回收池的设计，能够更好的避免液态金属微滴对周围环境的沾污和污染，也能够通过自动回收提高液态金属喷涂中的材料使用效率，加热控温装置还扩大了可选用的液态金属材料范围，适于对液态金属印制电路的快速批量化制作，对这一新方法与装置设计技术理念目前在国内外均尚无报道。这种方法实际上也适用于其他常规墨水的印刷。

附图说明

图1为本发明倒置式液态金属喷涂打印装置的结构示意图；

图2为本发明倒置式液态金属喷涂打印装置喷涂腔及覆盖于其上方开口的掩膜与基底材料的结构示意图，

图3为本发明倒置式液态金属喷涂打印装置回收池示意图，

其中：1为送风单元，2为喷涂腔，201为喷涂腔壁，202为喷涂腔气雾入口，203为喷涂腔气雾出口，204为喷涂腔上方开口，205为掩膜，206为基底材料，207为掩膜上的镂空；301为回收池，302为气雾回收管路，303为回收液，304为回收池开口；4为雾化单元，5为加热控温单元。

具体实施方式

以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1：

如图1，一种倒置式液态金属喷涂打印装置，包括送风单元1、雾化单元4、喷涂腔2、回收池301，在喷涂腔2的侧壁上方开有气雾进口，喷涂腔底部开有喷涂腔气雾出口203；所述送风单元的出风管道和雾化单元的气雾管路均连接于喷涂腔气雾进口202；喷涂腔气雾出口203通过气雾回收管路302连接回收池301，该气雾回收管路302伸入到池内回收液303的液面的下方，回收池上方开有回收池开口304，用于注入回收液。所述喷涂腔的顶部设置有喷涂腔上方开口204。

其中，所述雾化单元连接有液态金属容器，所述液态金属容器内放置熔点在200摄氏度以下的金属材料；所述雾化单元设置有高压气体喷头，所述高压气体喷头连接所述气雾管路。喷涂腔内壁材料为不锈钢。

本倒置式液态金属喷涂打印装置，还设置有加热控温单元5，所述加热控温单元包括设置在所述送风单元、雾化单元、喷涂腔、回收池下方的电加热元件。加热控温单元的温度控制范围在15-300摄氏度。

本实施例中，液态金属为镓铟合金，掩膜205为0.5mm厚的不锈钢，基底材料206为0.3mm厚聚氯乙烯薄膜，掩膜上的镂空207漏出基底待打印的区域；回收液为0.25mol/L氢氧化钠溶液。放置了基底和掩膜后，喷涂腔除气雾入口、气雾出口及上方开口外，其他部分为密闭结构，气雾入口与雾化装置及送风装置相连，气雾出口与回收池相连，位于喷涂腔最低处，同时起到令贴壁液滴汇流的作用。

由于镓铟合金的熔点低于室温，故倒置式液态金属喷涂打印装置不需要启动加热装置。将不锈钢掩膜、聚氯乙烯薄膜依次覆盖并固定于喷涂腔上方开口后，首先启动送风装置，使喷涂腔内有持续气流，将镓铟合金注入雾化装置，喷出的镓铟合金微滴随气流一同流入喷涂腔内，并附着于气流接触的各个表面，附着于喷涂腔内壁的镓铟合金将会汇聚，并随喷涂腔气雾出口流入回收池，未附着的镓铟合金微滴也将随气流从气雾出口流入回收池，当气流在回收液中上升的过程中，微滴会重新在回收液中析出、团聚，并与内壁流出的镓铟合金一起聚集在回收池底部。

待基底表面的喷涂完成后，关闭雾化装置与送风装置，即可将完成喷涂打印的基底材料取下，并可更换新的基底材料，重新开始喷涂打印的流程。

实施例2

采用和实施例1同样的装置。

本实施例中，液态金属为Ga₁₅In₁₃SnZn镓铟锡锌合金，掩膜为0.2mm厚不锈钢，基底材料为0.5mm厚聚丙烯薄膜，回收液为0.5mol/L氢氧化钠溶液。首先启动送风装置，使喷涂腔内有持续气流，气流相对于喷口界面的流速为10m/s，经过2min的喷涂，在基底上得到0.8mm厚的涂层。

其他操作同实施例1。

以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对 本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。