[0001] 本申请涉及电路打印制造技术领域，特别涉及一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印装置及方法。

[0002] 为了突破传统印制电路板的局限，功能电路共形打印技术成了一个重要的发展方向，目前，在电路打印制造的过程中，使用激光对印刷图案进行局部加热和固化，可以精确控制后处理区域和温度，能够在实现电路功能化的同时，大幅减小对基材和结合界面的损伤，有助于推动柔性电子、可穿戴设备等技术的发展。因此，需对激光辅助的电路打印制造技术进行研究。

[0003] 现有技术中，中国专利CN117601420A公开了一种激光辅助气溶胶喷射原位打印装置及方法，其中装置包括激光射流对准调节机构，激光射流对准调节机构安装有激光烧结喷头、气溶胶喷射打印喷头以及CCD高分辨率相机；激光烧结喷头与激光功率调节器连接；气溶胶喷射打印喷头通过鞘气流控制器与气泵连接；气溶胶喷射打印喷头连接功能墨水雾化装置，功能墨水雾化装置通过载气流控制器与气泵连接；CCD高分辨率相机与相机监视器连接。

[0004] 中国专利CN109366980A公开了一种激光辅助电喷射原位打印制造方法，“功能材料墨水”在压力作用下从喷针口流出，由于电流体动力学效应作用，形成稳定的泰勒锥喷射出稳定的精细射流，喷射在基体上形成打印层。同时，激光能量器用来对打印层进行复合处理，发射激光束并按照打印轨迹照射在打印层上，在原位同步实现打印结构的高温固化、结晶等功能化处理。

[0005] 然而，上述两个现有技术中的激光辅助器均安装在打印喷头的外部，在正式打印前需对激光辅助器的空间位置、角度、焦点进行预调整，操作难度较高，容易导致激光调节误差；同时，由于现有技术中的激光辅助器位于打印喷头外侧，激光束照射方向与打印喷头的喷射打印方向存在一定夹角，当打印的基体表面为复杂曲面时，可能出现基体遮挡激光束的情况，对复杂曲面基体的打印适应性较差；此外，外置激光辅助器的激光束倾斜照射油墨沉积线，使得沉积线上的光斑能量分布不均匀，打印电路的稳定性和可靠性较低。

[0031] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

[0032] 如图1至图3所示，本申请实施例提供了一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印装置，包括：光内送墨打印喷头1、激光功率稳定器2、惰性气源3、载气质量流速调节器4、功能油墨雾化器5、鞘气质量流速调节器6、运动平台7和控制系统8。

[0033] 所述光内送墨打印喷头1分别与所述激光功率稳定器2、所述功能油墨雾化器5、所述鞘气质量流速调节器6连接，所述功能油墨雾化器5通过所述载气质量流速调节器4与所述惰性气源3连接，所述鞘气质量流速调节器6与所述惰性气源3连接，所述控制系统8分别与所述激光功率稳定器2、所述载气质量流速调节器4、所述功能油墨雾化器5、所述鞘气质量流速调节器6、所述运动平台7电连接。

[0034] 所述光内送墨打印喷头1将激光束101集成在打印喷头内部。

[0035] 具体地，激光功率稳定器2用于向光内送墨打印喷头1产生稳定的激光束101，并用于调节激光束101的参数，包括功率范围、光斑直径和波长覆盖范围。在本实施例中，激光束101的功率范围为150mW‑20W，光斑直径为10‑400μm，波长覆盖范围为400‑1500nm。通过调节激光束101的参数，实现对沉积油墨的稳定原位烧结。

[0036] 具体地，惰性气源3用于为光内送墨打印喷头1提供稳定的惰性气体。在本实施例中，惰性气源3的最大输出气压为3MPa，当进行稳定打印时，惰性气源3的输出气压范围在0.5‑1.5MPa。当惰性气源3输出的惰性气体通过载气质量流速调节器4、功能油墨雾化器5进入光内送墨打印喷头1时，其作用是传输或汇聚气溶胶油墨流105；当惰性气源3输出的惰性气体通过鞘气质量流速调节器6进入光内送墨打印喷头1时，其作用是作为气溶胶油墨流
105与激光束101之间的鞘气流107（即保护气体）。

[0037] 具体地，载气质量流速调节器4用于调节载气气流质量流速（即调节从功能油墨雾化器5进入光内送墨打印喷头1的气溶胶油墨流105的流速），载气气流质量流速的调节范围为0‑400sccm。

[0038] 具体地，功能油墨雾化器5用于将液态的功能油墨雾化为气溶胶油墨流105。

[0039] 具体地，鞘气质量流速调节器6用于调节鞘气气流质量流速（即调节进入光内送墨打印喷头1的鞘气流107的流速），鞘气气流质量流速的调节范围为0‑800sccm。

[0040] 具体地，运动平台7用于在控制系统8的控制下按照打印路径带动基体9进行多个自由度（X轴、Y轴、Z轴）上的移动，以实现在基体9上功能电路10的高精度、高质量沉积和烧结。

[0041] 具体地，激光功率稳定器2、载气质量流速调节器4、功能油墨雾化器5、鞘气质量流速调节器6、运动平台7均通过控制系统8进行控制。

[0042] 示例性地，所述光内送墨打印喷头1包括：分光镜102、聚光镜103、气溶胶通道104、鞘气通道106、激光束通道108和打印喷头外壳109。

[0043] 所述分光镜102固定设置于所述打印喷头外壳109的内部中心轴线上，所述聚光镜103固定设置于所述打印喷头外壳109的内部四周。

[0044] 所述气溶胶通道104的一端连接所述功能油墨雾化器5，另一端进入所述打印喷头外壳109并指向所述打印喷头外壳109的出口。

[0045] 所述鞘气通道106的一端连接所述鞘气质量流速调节器6，另一端进入所述打印喷头外壳109并指向所述打印喷头外壳109的出口。

[0046] 所述激光束通道108的一端连接所述激光功率稳定器2，另一端进入所述打印喷头外壳109并指向所述打印喷头外壳109的出口。

[0047] 具体地，在本实施例中，光内送墨打印喷头1的工作原理如下：功能油墨雾化器5将液态的功能油墨雾化为气溶胶油墨流105，送入气溶胶通道104并传输到打印喷头外壳109的出口；鞘气质量流速调节器6将鞘气流107送入鞘气通道106并传输到打印喷头外壳109的出口；鞘气流107汇聚并环绕气溶胶油墨流105，使得气溶胶油墨流105在基体9的表面沉积为较高分辨率的功能电路10；同时激光功率稳定器2将激光束101送入激光束通道108并传输到打印喷头外壳109的出口，激光束101在激光束通道108中首先垂直入射到分光镜102，被分光镜102向聚光镜103分散，再被聚光镜103向打印喷头外壳109的出口汇聚，激光束101对基体9的功能电路10上的油墨沉积线进行实时固化（介电油墨聚合反应）或烧结（导电油墨颗粒生长）。

[0048] 示例性地，所述鞘气通道106在所述打印喷头外壳109的内部的部分位于所述气溶胶通道104的外侧。

[0049] 所述激光束通道108在所述打印喷头外壳109的内部的部分位于所述鞘气通道106的外侧。

[0050] 示例性地，在进行打印时，所述气溶胶通道104向所述打印喷头外壳109的出口射出气溶胶油墨流105，所述鞘气通道106向所述打印喷头外壳109的出口射出鞘气流107，所述激光束通道108向所述打印喷头外壳109的出口射出激光束101。

[0051] 所述鞘气流107位于所述气溶胶油墨流105的外侧，所述激光束101位于所述鞘气流107的外侧。

[0052] 具体地，通过鞘气流107位于气溶胶油墨流105的外侧，激光束101位于鞘气流107的外侧，使得鞘气流107汇聚气溶胶油墨流105的同时，也能保护气溶胶油墨流105在烧结固化时不被氧化。

[0053] 示例性地，在进行打印时，所述气溶胶油墨流105的焦点与所述激光束101的焦点重合。

[0054] 具体地，通过气溶胶油墨流105的焦点与激光束101的焦点重合，使得激光束101在对基体9的功能电路10上的油墨沉积线进行实时固化或烧结时，仅会对油墨沉积线产生影响，而不会影响到基体9。

[0055] 示例性地，所述功能油墨雾化器5采用的雾化方式包括：超声雾化、气动雾化和电雾化。

[0056] 具体地，在本实施例中，功能油墨雾化器5采用超声雾化，当采用超声雾化方式时，采用的压电陶瓷片提供200kHz‑10MHz的频率范围输入电压的调节范围为15‑60V，所产生的气溶胶油墨流105的微滴直径为1‑5μm。以实现精细化电路图案的打印。

[0057] 本申请实施例还提供了一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印方法，包括以下步骤：步骤一，配置功能油墨，包括：确定功能材料；将所述功能材料分散在溶剂中，形成纳米颗粒悬浮液；优化所述纳米颗粒悬浮液中纳米颗粒的尺寸，得到功能油墨；调节所述功能油墨的粘度和表面张力。

[0058] 步骤二，规划打印路径，包括：获取基体9的模型，对基体9的表面进行光滑处理；获取基体9的法向量；沿着基体9的法向量方向进行切片，得到切片层；采用等高线切片算法根据所述切片层生成打印路径。

[0059] 步骤三，优化打印工艺参数，包括：选择光内送墨打印喷头1的喷嘴直径、工作距离和功能油墨的体积；设置气溶胶油墨流105和鞘气流107的流速；设置激光束101的功率和光斑大小。

[0060] 步骤四，基于所述功能油墨、所述打印路径和所述打印工艺参数进行打印。

[0061] 示例性地，步骤一中，所述功能材料包括：导电材料、半导体材料和介电材料。

[0062] 示例性地，步骤二中，所述打印路径的填充策略包括：螺旋填充和线性填充。

[0063] 具体地，功能材料中的导电材料包括：银纳米颗粒、铜纳米颗粒；半导体材料包括：碳纳米管材料、石墨烯材料；介电材料包括：丙烯酸酯。其中，导电材料和半导体材料通常用于电路、天线、无源电子元件的制备，介电材料通常用于不同导电层之间的绝缘层和封装层的制备。在本实施例中，功能材料选择导电材料中的银纳米颗粒。

[0064] 常用的溶剂包括：水、乙二醇、异丙醇；为了提高分散性和稳定性，还可以向溶剂中加入分散剂（譬如聚乙烯吡咯烷酮）。

[0065] 纳米颗粒的尺寸通常控制在1nm‑100nm之间，以确保油墨具有良好的流动性和喷射性能，所得到的功能油墨的微滴直径为1‑5μm。

[0066] 在调节功能油墨的粘度和表面张力时，通常通过加入增稠剂（譬如羟乙基纤维素）或溶剂混合物来调节粘度，通过加入表面活性剂来调节表面张力。对于超声雾化所采用的功能油墨，调节粘度范围为0‑20cp，对于气动雾化所采用的功能油墨，调节粘度范围为0‑2000cp。

[0067] 具体地，在本实施例中，采用3D扫描技术获取基体9的模型并进行表面光滑处理，从而消除噪声和细小缺陷，提高模型精度，在其它可能的实施例中，也可以采用CAD软件。

[0068] 通过分析基体9的法向量，可以确定打印方向，保证由功能油墨生成的气溶胶油墨流105能够准确沉积在目标位置，形成油墨沉积线。

[0069] 沿着基体9的法向量方向进行切片，得到的切片层与基体9的曲面保持共形，根据基体9的曲面变化调整切片厚度，确保层与层之间的过渡平滑；打印层厚通过沉积的油墨沉积线的体积和覆盖面积来确定。

[0070] 在本实施例中，采用等高线切片算法根据切片层生成打印路径，以适应基体9的几何形状，尤其当基体9的表面为复杂曲面时，等高线切片算法的效果更好。当对每一层进行填充时，填充策略通常可以采用螺旋填充或线性填充，确保结构强度和稳定性。相邻油墨沉积线之间的间距设计为单条油墨沉积线宽度的一半，以确保油墨沉积线之间的覆盖和重叠，提高导电性能，减少打印缺陷。

[0071] 具体地，根据基体9的尺寸和功能电路10的打印图案大小来选择合适的光内送墨打印喷头1的喷嘴直径、工作距离和功能油墨的体积，常用的喷嘴直径为100‑400μm，工作距离为2‑5mm，功能油墨的体积一般取2mL。

[0072] 气溶胶油墨流105的流速控制范围一般在0‑400sccm，鞘气流107的流速控制范围一般在0‑800sccm，油墨沉积线的线宽控制范围一般在10‑400μm。在本实施例中，采用超声雾化的雾化方式，采用的压电陶瓷片提供200kHz‑10MHz的频率范围输入电压的调节范围为15‑60V。

[0073] 在本实施例中，激光束101的功率范围为150mW‑20W，光斑直径为10‑400μm，波长覆盖范围为400‑1500nm。通过调节激光束101的参数，实现对沉积油墨的稳定原位烧结。

[0074] 基于配置好的功能油墨、规划好的打印路径、优化好的打印工艺参数，采用本申请的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印装置即可进行打印。

[0075] 如图4所示，为本申请的打印结果实物图，可以看出，利用银纳米颗粒制备的功能油墨进行打印，结合本申请的一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印装置和一种光内送墨的气溶胶喷射原位3D打印方法，在制作功能电路10时能够实现油墨沉积线宽度为100μm，不仅保证了功能电路10的表面均匀性和良好形貌，还确保了油墨在沉积过程中的同时进行烧结固化，从而提高了电路性能和可靠性。

[0076] 如图5和图6所示分别为未烧结时和激光烧结后的打印结果微观形貌图，可以看出，经过激光束101的原位烧结处理，油墨沉积线中的银纳米颗粒得以生长并相互结合，从而形成稳定高效的导电通路；相比之间，未烧结时的油墨沉积线中的银纳米颗粒彼此分离，未能形成连续的导电通路。因此，激光束101的原位烧结处理显著提高了功能电路10的性能和可靠性。

[0077] 本申请实施例通过光内送墨打印喷头1实现气溶胶喷射技术与激光烧结技术的一体化集成，将激光束101集成在打印喷头内部，无需单独对激光束101进行调节，降低了操作难度和激光调节误差，同时可以对激光束101和打印喷头的运动进行同步控制，提高了打印的一致性和重复性；可以在油墨沉积后直接对同一位置进行激光烧结固化，避免了复杂曲面基体遮挡激光束101的情况，提高了对复杂曲面基体的打印适应性，同时无需频繁调整激光束101的位置和角度，提高了打印过程的便捷性；通过将激光束101集成在打印喷头内部，避免了外部环境变化对激光束101稳定性的影响，同时使得激光束101整体垂直照射在油墨沉积线上，避免了外置激光倾斜照射油墨沉积线导致的光斑能量分布不均匀问题，进而提高了打印电路的稳定性和可靠性。

[0078] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

[0079] 显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。