本發(fā)明屬于噴印制造領(lǐng)域，具體涉及一種集成電噴印的增材加工方法與等離子體刻蝕的減材加工方法的噴印裝置與方法。

技術(shù)背景

噴墨打印技術(shù)是利用墨液的圖案化沉積來制備微納米結(jié)構(gòu)器件的，被廣泛應(yīng)用于微機電、太陽能電池、顯示面板、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。電流體噴印技術(shù)應(yīng)用電流體動力學機理，利用電場力將墨液從噴嘴口拉出形成泰勒錐，噴嘴處的帶電液滴會受到電場切應(yīng)力的作用，當局部電場力超過液體表面張力后，帶電液體從噴嘴處噴射，然后破裂成液柱或者小液滴。通過改變流速、電壓、液體性質(zhì)和噴嘴結(jié)構(gòu)，可形成具有不同射流形狀和破碎機理的電流體噴印模式，即電紡絲、電點噴和電噴霧。

電噴印技術(shù)屬于增材制造技術(shù)，有著增材制造技術(shù)的以下優(yōu)點：

(1)可多層噴印出復(fù)雜形狀的微結(jié)構(gòu)，如凹槽、凸肩和復(fù)雜的內(nèi)流道等。

(2)材料利用率高，尤其是對昂貴的稀有材料來說，可大大降低成本。

(3)可實現(xiàn)較高程度的數(shù)字化加工，人工干預(yù)小。

但是，單獨的增材制造工藝有時候也面臨著加工效率低下，需要進行表面二次處理，打印后需要其他方式進行燒結(jié)，靜電紡絲圖案化過程中難以切斷等諸多問題。在噴印制造過程中使用噴印墨液與待加工材料發(fā)生的理化反應(yīng)以實現(xiàn)刻蝕是增減材復(fù)合制造方法之一，但是此種刻蝕方法可控性較差，且刻蝕液容易殘留，甚至有可能破壞局部結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計出一套能進行增減材制造一體化的加工裝置能豐富加工模式，極大的提升加工效率。

等離子體刻蝕加工是進行減材加工的方法之一，其中，無掩膜的等離子體射流直寫工藝方法被廣泛應(yīng)用于碳基材料的刻蝕加工，相比于傳統(tǒng)刻蝕工藝，它不需要光刻膠、掩膜、后處理、真空、高溫、潔凈等環(huán)境要求，而且成本低廉。其原理是利用氣體放電產(chǎn)生富含活性粒子的等離子體射流，如轟擊氦原子(氧原子)使其達到激發(fā)態(tài)(電離等)，激發(fā)態(tài)氦原子誘導(dǎo)氧氣形成臭氧，活性粒子與被刻蝕的材料相互接觸時，會發(fā)生化學反應(yīng)，形成揮發(fā)性生成物而被去除。它的優(yōu)勢在于刻蝕速率快、刻蝕表面無殘留物、可獲得良好的物理形貌。

高頻強電壓除將氣體放電產(chǎn)生富含活性粒子的等離子體射流外，還在局部產(chǎn)生較高的溫度場，高溫可將電流體噴印噴出的材料如銀納米顆粒墨液進行燒結(jié)固化，不但增加其導(dǎo)電性，且利于良好表面形貌的生成。

此外，等離子體是一種多粒子系統(tǒng)，包含大量高能電子、離子和中性粒子，與材料表面的撞擊時會將其部分能量傳遞給表面的分子和原子，產(chǎn)生一系列物理和化學過程。一些粒子還會注入到材料表面引起碰撞、散射、激發(fā)、重排、異構(gòu)、缺陷、晶化及非晶化，從而改變材料的表面性能。目前已報導(dǎo)的等離子體氣體有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：等離子體處理能夠改善高分子材料的表面性能，包括染色性、親疏水性，導(dǎo)電性、表面固化等，而在電流體噴印過程中，經(jīng)常需要對所噴印的墨水進行親疏水性、導(dǎo)電性、表面固化的處理，因此，電噴印過程中的等離子體表面改性具有極高的應(yīng)用價值。

鑒于等離子體射流技術(shù)在刻蝕、加熱固化、表面處理等方面的優(yōu)勢，以及結(jié)合電流體噴印技術(shù)后引出的增減材復(fù)合加工、電噴印表面處理帶來的加工效率、材料性能的提升，開發(fā)一套集成等離子體技術(shù)的電噴印裝置，研究出增減材加工一體化的加工工藝，以及應(yīng)用于電噴印過程中的等離子體表面改性工藝，在mems加工制造及電流體噴印領(lǐng)域都具有極大的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種集成等離子體射流技術(shù)的電噴印裝置及工藝方法，實現(xiàn)電流體噴印加工(增材加工)與等離子體刻蝕加工(減材加工)的聯(lián)合應(yīng)用，解決現(xiàn)有技術(shù)存在單獨增材制造加工效率低下，需要進行表面二次處理，增材加工后需要另外進行燒結(jié)處理，靜電紡絲圖案化過程中難以切斷等技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種集成等離子體射流技術(shù)的電噴印裝置，包括噴頭、高壓電源、收集基板和進液筒；其中：

所述進液筒為一封閉容器，用于儲放電噴印墨液，其筒體頂部設(shè)有通孔，用于外接空氣進氣管引入空氣；進液筒下端設(shè)有出液通孔，用于連接所述噴頭，向其提供電噴印墨液；

所述噴頭包括金屬制成的墨液輸送針頭和放電氣體儲氣管，所述墨液輸送針頭的上端與進液筒的出液通孔配合，用于導(dǎo)入進液筒儲存的電噴印墨液；墨液輸送針頭的下端為細長針管，該針管中軸線與放電氣體儲氣管中軸線重合；

所述放電氣體儲氣管上端與金屬墨液輸送針頭配合嵌為一體，兩者之間構(gòu)成一個封閉腔體；放電氣體儲氣管側(cè)壁開設(shè)有進氣孔，用于連接放電氣體進氣管以引入放電氣體；放電氣體儲氣管下端開有等離子體射流噴口，用于等離子體射流噴出；所述墨液輸送針頭末端針管接近所述等離子體射流噴口，用于經(jīng)由該噴口噴出電噴印墨液；

所述高壓電源接地極與收集基板相連，高壓電源輸出與墨液輸送針頭連接，用于激發(fā)放電氣體儲氣管內(nèi)的放電氣體產(chǎn)生等離子體，并提供電噴印所需的電場；

工作時，空氣進氣管壓入空氣，電噴印墨液在空氣壓力的作用下由儲液筒流入墨液輸送針頭到達針管；通入高壓電的墨液輸送針頭與接地的收集基板在所述針管末端和收集基板之間的狹小空間中形成強電場，和墨液表面張力的共同作用促使墨液經(jīng)過墨液輸送針頭的針管末端向收集基板沉積；同時，放電氣體儲氣管里面的放電氣體與帶有高壓電的墨液輸送針頭在儲氣管里接觸，放電氣體電離形成等離子體，并在放電氣體進氣端壓力的作用下經(jīng)由放電氣體儲氣管底部等離子體射流噴口流出，形成等離子體射流。

進一步的，所述放電氣體進氣口和墨液輸送針頭上端之間的放電氣體儲氣管段，設(shè)有密封環(huán)，用于限制放電氣體空間，并輔助實現(xiàn)墨液輸送針頭的金屬針管軸線與放電氣體儲氣管的軸線重合；所述密封環(huán)為中空結(jié)構(gòu)，用于所述針管穿過。

進一步的，所述墨液輸送針頭上端的凹形槽設(shè)有外螺紋，放電氣體儲氣管上端的凹形槽設(shè)有內(nèi)螺紋，兩者通過螺紋密封連接；所述墨液輸送針頭上端凹形槽結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁開有內(nèi)螺紋；進液筒下端為圓形通孔，其外表面設(shè)有外螺紋，兩者形成螺紋密封連接。

進一步的，所述墨液輸送針頭針管末端與放電氣體儲氣管底部等離子體射流噴口的垂直相對位置關(guān)系可調(diào)，可在該噴口外部，內(nèi)部或者與該噴口平齊。

進一步的，所述的一種組合噴頭，該噴頭為兩個單獨噴頭的組合，其中一個接進液筒，不接放電氣體，只進行電噴印；另外一個不接進液筒，只接放電氣體，不接空氣，只用于等離子體燒結(jié)或刻蝕；組合噴頭上端的墨液輸送針頭加工在同一結(jié)構(gòu)上。

進一步的，通過選擇性的控制打開和關(guān)閉放電氣體進氣管和空氣進氣管，可實現(xiàn)電流體噴印加工與等離子體加工的快速切換，實現(xiàn)單獨的電噴印或單獨的等離子體刻蝕；或者在電噴印加工的同時進行等離子體加工改性，實現(xiàn)對電噴印材料表面進行等離子體改性。

進一步的，所述電噴印裝置換上組合噴頭后，可實現(xiàn)對噴出的電噴印材料隨后用高溫等離子體進行燒結(jié)固化。

進一步的，所述組合噴頭中，一個噴頭進行噴印沉積(增材)，另一個噴頭進行刻蝕(減材)，用于在不能打斷的紡絲纖維制作中采用刻蝕噴頭進行選擇性打斷，從而實現(xiàn)對噴出的紡絲纖維進行圖案化刻蝕。

進一步的，所述電噴印裝置換上組合噴頭后，噴印噴液和刻蝕噴頭調(diào)整至不在同一運動軌跡上，可將一層材料上面噴印一層，下面刻蝕一層，變成兩層結(jié)構(gòu)；或者兩層結(jié)構(gòu)快速加工成三層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的快速制備。

進一步的，采用多個所述電噴印裝置，陣列化配備，能用于快速實現(xiàn)大面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備。

本發(fā)明通過通過設(shè)計集成噴頭，實現(xiàn)了電噴印加工與等離子體刻蝕加工的單獨加工與聯(lián)合加工多種模式：集成噴頭中不通入放電氣體，并向儲液筒中注入墨液及打開通入空氣的開發(fā)，此時實現(xiàn)單獨的電噴印工藝；集成噴頭中通入放電氣體，并關(guān)閉空氣輸入通道，此時實現(xiàn)單獨的等離子體射流刻蝕加工；同時打開放電氣體輸入通道與空氣輸入通道，此時實現(xiàn)等離子體的聯(lián)合加工，利用等離子體表面改性工藝，可實現(xiàn)在電噴印過程中對材料進行表面改性；利用組合噴頭，通過調(diào)節(jié)組合噴頭在運動軌跡的前后位置上，調(diào)高輸入電壓的頻率，利用高頻電壓等離子體產(chǎn)生的高熱能，實現(xiàn)電噴印圖案的燒結(jié)固化；利用組合噴頭，調(diào)節(jié)組合噴頭在運動軌跡的前后位置上，通過選擇性開關(guān)等離子體高壓輸入，可實現(xiàn)對電噴印紡絲纖維的等離子體選擇性刻蝕；利用組合噴頭，調(diào)節(jié)組合噴頭在運動軌跡的垂直位置上，利用增減材同時加工工藝，可實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的加工；通過所發(fā)明裝置陣列化布置，可實現(xiàn)多重不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陣列化加工。

綜上所述，本發(fā)明可用于設(shè)計出一套能進行增減材制造一體化的加工裝置及加工方法，可在加工過程中對電噴印材料進行實時等離子體表面改性、高溫燒結(jié)，及同步進行增減材加工以實現(xiàn)復(fù)雜紡絲纖維圖案化、多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成型，豐富了加工模式，且極大的提升了加工效率。解決現(xiàn)有技術(shù)存在單獨增材制造加工效率低下，需要進行表面二次處理，增材加工后需要另外進行燒結(jié)處理，靜電紡絲圖案化過程中難以切斷等技術(shù)問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中提到的噴頭剖面示意圖；

圖2是噴頭中墨液輸送針頭的俯視圖；

圖3是本發(fā)明中提到的增減材一體化裝置的工作示意圖；

圖4是等離子體對聚四氟乙烯薄膜改性前后親水性變化示意圖；

圖5是組合噴頭剖面示意圖；

圖6是組合噴頭中的墨液輸送針頭的俯視圖；

圖7是增減材一體化的復(fù)合裝置工作示意圖；

圖8是等離子體選擇性刻蝕叉指電極示意圖；

圖9是增減材一體化的陣列化裝置工作示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

如圖1-9所示，一種集成等離子體射流技術(shù)的電噴印裝置，包括墨液輸送針頭(1)、放電氣體進氣孔(2)、放電氣體儲氣管(3)、放電氣體密封圈(4)、空氣進氣管(5)、儲液筒密封蓋(6)、儲液筒(7)、電噴印墨液(8)、放電氣體進氣管(9)，噴頭(10)，高壓電源(11)、收集基板(12)、組合噴頭(13)。

進液筒(7)為一容器，用于儲放電噴印墨液(8)，其上端用儲液筒密封蓋(6)嵌合密封，儲液筒密封蓋(6)上接空氣進氣管(5)，用于引入空氣壓力用于控制電流體噴印墨液(8)注入流量；進液筒(7)下端接所述噴頭模塊(10)，用于向其提供電噴印墨液。作為一種選擇，所述進液筒為普通塑料制圓形注射筒，其頂端有一帶密封圈的頂蓋，頂蓋與注射筒之間用旋轉(zhuǎn)的方式相互嵌合固定，頂蓋上的氣管與氣壓供給裝置連接，通過調(diào)節(jié)氣壓供給端壓力的大小實現(xiàn)對墨液供給流量的調(diào)控，進液筒的底端通過螺紋與集成噴頭模塊相互連接。

噴頭模塊(10)，包括墨液輸送針頭(1)、放電氣體儲氣管(3)、環(huán)形密封圈(4)、放電氣體進氣孔(2)；其中：

墨液輸送針頭(1)內(nèi)壁開有內(nèi)螺紋，與進液筒(7)形成螺紋連接，將進液筒(7)儲存的電噴印墨液(8)傳輸?shù)结橆^。墨液輸送針頭(1)外壁開有外螺紋，實現(xiàn)與放電氣體儲氣管(3)的連接，此處的螺紋連接還可以調(diào)整墨液輸送針頭(1)針尖與放電氣體儲氣管(3)下端等離子體射流噴口的相對位置。放電氣體儲氣管(3)下端開設(shè)離子體射流噴口，用于噴出等離子體射流和電噴印射流；放電氣體儲氣管(3)側(cè)壁開設(shè)有放電氣體進氣孔(2)，連接放電氣體進氣管(9)，用于引入放電氣體，并控制放電氣體放電后形成的等離子體射流流量；墨液輸送針頭(1)為金屬材料，用于外接高壓電源(11)，接上高壓電的金屬針頭，不僅能夠用于電流體噴印，而且能夠與放電氣體接觸，將氣體放電形成等離子體。放電氣體的供給用于實現(xiàn)特定化學氛圍等離子體發(fā)生的需要。本實施例中，儲氣管為絕緣且透明材料制成，其上端通過螺紋與墨液輸送針頭頂端固定，此處的螺紋連接除了固定還可以調(diào)節(jié)針頭底端與儲氣管底部出口的相對位置，。儲氣管上部有用于密封放電氣體的環(huán)形密封圈，此外，密封圈還可以調(diào)整輸液針頭在儲氣管中的位置，使其大致保持在同一軸心。儲氣罐側(cè)壁上開有一個放電氣體的進氣孔，其通過螺紋及密封膠帶連接到進氣管，實現(xiàn)放電氣體的供給。

高壓電源(11)由函數(shù)發(fā)成器及電壓放大器組成，函數(shù)發(fā)生器端輸出給定波形頻率的電信號，并輸入到電壓放大器，并經(jīng)由電壓放大器放大至上千伏，以生成電噴印設(shè)備所需的電場及將等離子體混合氣體放電使其到達高能量狀態(tài)。常規(guī)狀態(tài)下，電噴印加工與等離子體加工都需要高電壓輸入，本裝置巧妙的使用一套高壓生成裝置給電噴印加工和等離子體加工同時提供高壓輸入，既可以實現(xiàn)單獨的電噴印加工或者單獨的等離子體加工，還可以利用一套噴頭實現(xiàn)電噴印加工中的噴印材料等離子體改性，也可以利用多套噴頭實現(xiàn)增材與減材的同時加工，以用于多層結(jié)構(gòu)的快速成型。

收集基板(12)放置在由xy兩個方向的伺服電機控制的模組平臺上，收集基板(12)接地，與高壓正電在空間中形成強電場。收集基板由計算機控制進行圖案化的位置運動，通過與噴頭的配合進行電噴印及等離子體射流的圖案化沉積。

本裝置可實現(xiàn)的工藝方法包括：電噴印過程表面改性工藝，電噴印材料后續(xù)燒結(jié)工藝，結(jié)合等離子體與電噴印工藝的增減材復(fù)合加工工藝。

本裝置實現(xiàn)了電噴印加工與等離子體加工的快速切換。如圖3所示，電流體噴印加工時，將噴印墨液(8)注入儲液筒(7)，同時合上儲液筒密封蓋(6)，此時開啟空氣輸入端口(5)，并關(guān)閉放電氣體輸入端口(2)，調(diào)節(jié)儲氣管(3)與墨液輸送針頭(1)的連接螺紋來調(diào)節(jié)墨液輸送針頭(1)針尖與儲氣管(3)等離子體射流噴口的相對位置，電噴印情況下建議將墨液輸送針頭(1)針尖伸出儲氣管(3)等離子體射流噴口，以便于觀察形成的泰勒錐。當切換到等離子體加工時，關(guān)閉空氣輸入端口(5)，打開放電氣體輸入端口(2)，同樣通過調(diào)節(jié)儲氣管(3)與墨液輸送針頭(1)的連接螺紋來調(diào)節(jié)墨液輸送針頭(1)針尖與儲氣管(3)小孔的相對位置，這時候應(yīng)該將墨液輸送針頭(1)針尖放在儲氣管(3)小孔里面的適當位置，通過墨液輸送針頭(1)傳遞的高電壓，作用于氦氣氧氣實現(xiàn)電離，從而實現(xiàn)等離子體加工工藝，這樣，兩種工藝利用同一裝置即可方便的實現(xiàn)。

進一步如圖3所示，該裝置還可實現(xiàn)電流體噴印加工中，將噴印材料用等離子體工藝進行材料改性，具體操作是噴印過程中同時打開開啟空氣輸入端口(5)、放電氣體輸入端口(2)，并將墨液輸送針頭(1)針尖放在儲氣管(3)小孔里面的適當位置，在噴印過程中，電噴印的高分子墨液(8)材料暴露在等離子體環(huán)境下，實現(xiàn)表面改性目的，如圖4所示。

如圖5所示，裝置(13)為組合噴頭，該組合噴頭接在一個儲液筒(7)上，此時將與儲液筒(7)連接的噴頭稱作主噴頭，而單獨連接的稱為從噴頭。主噴頭因為與儲液筒(7)連接，可進行電噴印加工，從噴頭未安裝儲液筒(7)，故而只能進行等離子體加工，此時放電氣體進氣管(9)應(yīng)接入從噴頭的放電氣體輸入端口(2)，空氣進氣管(5)應(yīng)接在主噴頭端口上。

組合噴頭(13)接入所述裝置后，如圖7所示，可用于加工多層微結(jié)構(gòu)。具體實現(xiàn)是控制主從噴頭的裝夾位置關(guān)系，使主噴頭和從噴頭不在同一運動線路上，而是并列于電機運動方向上，此時通過控制電、氣體的供給使主噴頭進行電噴印加工，而從噴頭進行等離子體刻蝕加工，從而實現(xiàn)多層微結(jié)構(gòu)的制造。

進一步的，組合噴頭(13)接入所述裝置后，如圖7所示，還可實現(xiàn)在電流體噴印加工中對噴印沉積材料進行等離子體高溫燒結(jié)以實現(xiàn)固化。具體實現(xiàn)是控制主從噴頭的裝夾位置關(guān)系，使主從噴頭的位置關(guān)系始終與電機運動軌跡在同一直線上，此時通過控制電壓、氣體的供給使主噴頭進行電噴印加工，后面的從噴頭將剛噴印的圖案化墨液進行等離子體高溫燒結(jié)，從而實現(xiàn)噴印沉積材料的高溫固化目的。

進一步的，組合噴頭(13)接入所述裝置后，如圖7所示，還可實現(xiàn)對電流體噴印的圖案進行選擇性刻蝕。具體實現(xiàn)是使主噴頭和從噴頭在同一運動線路上，此時主噴頭進行靜電紡絲工藝，后面的從噴頭將剛噴印的圖案化紡絲纖維在不需要的地方進行選擇性等離子體刻蝕，從而通過增減材工藝的聯(lián)合應(yīng)用，實現(xiàn)復(fù)雜的圖案化沉積，如圖8所示。兩個噴頭，前面的噴頭按圖中的圖案進行噴印(紡絲)，電噴印自己不能將其截斷，這時后面的噴頭根據(jù)控制信號可以選擇性的刻蝕調(diào)一部分圖案，途中白色的部分就是被刻掉的部分，其實是沒有線的，為了顯示效果，留下了印記。

圖9示出根據(jù)不同的控制方案，該裝置還可以實現(xiàn)陣列化集成加工裝置，即集成多個該單獨裝置，同時進行陣列化增減材加工工藝，實現(xiàn)各類微結(jié)構(gòu)圖案的高效加工，實現(xiàn)多重不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陣列化加工工藝。各類微結(jié)構(gòu)具體可分為以下幾種：

所有陣列化噴頭全部進行電流體噴印工藝實現(xiàn)大面積凸臺微結(jié)構(gòu)的增材制造，此時關(guān)閉陣列化噴頭的所有等離子體氣體輸入端口(2)，打開所有空氣輸入端口(5)，并且將電噴印墨液(8)注入儲液筒(7)。

所有陣列化噴頭全部進行等離子體刻蝕工藝實現(xiàn)大面積溝槽微結(jié)構(gòu)的減材制造，此時打開陣列化噴頭的所有等離子體氣體輸入端口(2)，關(guān)閉所有空氣輸入端口(5)。

部分噴頭進行等離子體刻蝕工藝，另一部分噴頭進行電流體噴印工藝，實現(xiàn)有凸臺及凹槽的陣列化微結(jié)構(gòu)集成制造。此時選擇性的控制打開和關(guān)閉陣列化噴頭的所有等離子體氣體輸入端口(2)和空氣輸入端口(5)以及往儲液筒(7)中注入電噴印墨液(8)。

所有不同類結(jié)構(gòu)制造能實現(xiàn)高壓電的并用，僅僅是通過控制墨液的供給及氣流的供應(yīng)來實現(xiàn)的，在控制上可簡單、方便的予以實現(xiàn)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。