电场驱动喷射沉积微3D打印高分辨率氮化铝陶瓷基电路

现有技术在高分辨率高密度电路的低成本批量化制造上仍然面临巨大挑战，无法满足陶瓷基电路对高频、高速、高密度集成的要求。提出了一种结合牺牲层的电场驱动喷射沉积微3D打印高分辨率氮化铝陶瓷基电路的新方法，该方法利用牺牲层克服了因陶瓷表面粗糙导致的射流不稳定问题，并借助牺牲层表面疏水特性进一步缩小线宽，实现了高分辨率电路的制造。实验研究了打印参数(电压、气压、打印高度、打印速度)、牺牲层以及烧结工艺对打印银线线宽和形貌的影响并优化了工艺参数。最后，使用含银量70%(质量分数)的导电银浆结合优化的工艺参数，在氮化铝基材表面实现了多种复杂电路图案制造，包括线宽/线距为2/3的高密度高分辨率电路图案以及目前已报道的最小线宽为8.1μm的导电银线。研究结果表明，结合牺牲层的电场驱动喷射沉积微尺度3D打印氮化铝陶瓷基电路新方法可为小型化、高功率陶瓷基集成电路低成本批量化制造提供有效途径。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites，PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性，尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题，提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验，揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台，并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式，实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid，PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明，提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴，实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造），而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造金属网栅透明电磁屏蔽玻璃的研究

为了解决大尺寸金属网栅透明电磁屏蔽玻璃高效和低成本制造的难题,提出一种基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造金属网栅透明电磁屏蔽玻璃的新方法。通过试验揭示了打印速度对金属网栅(线宽和形貌)的影响及其规律,打印金属网栅的线宽和周期对于透过率和电磁屏蔽效能的影响和规律。利用提出的方法,并结合优化的工艺参数,完成了三个典型工程案例的制造,使用高银含量(质量分数为80%)的纳米银浆(黏度高达20 000 mPa·s),制作金属网栅的面积为100 mm×100mm,线宽是20μm,烧结后金属网栅与玻璃基底的附着力为4 B。其中,金属网栅周期为500μm时,可见光透过率为88%,对常用中高频电磁波屏蔽效能大于26 dB;金属网栅周期为300μm时,可见光透过率为83%,对常用中高频电磁波屏蔽效能大于30 dB;金属网栅周期为150μm时,可见光透过率为67%,对常用中高频电磁波屏蔽效能大于37 dB。结果表明,结合电场驱动喷射沉积微尺度3D打印和高银含量高黏度纳米银浆,为大尺寸高性能透明电磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了一种具有工业化应用前景的全新解决方案。     

基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题。基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压,打印速度）对制备的不同类型微透镜形貌与质量的影响与规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,在玻璃基底上分别实现了面积为120 mm×120 mm、100 cm×45 cm的圆形与柱状微透镜阵列的制造,在柔性PET基底上实现了面积为160 mm×160 mm的圆形微透镜阵列的制造,利用电场驱动喷射微3D打印的多层打印模式实现了折射率梯度变化范围为0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。实验结果表明,制备的微透镜阵列具有良好的几何与光学性能,基于电场驱动喷射微3D打印大面积、多类型微透镜阵列制造方法具有效率高、成本低、批量化的显著优势,为大面积多类型微透镜阵列制造提供了一种全新的解决方案。     

电场驱动μ-3D打印蜡基微流控模具

提出了一种基于电场驱动微尺度3D打印制备蜡基材料微结构的工艺。通过脉冲直流产生自激发静电场驱动皮升级体积石蜡微滴喷射沉积成形；研究了打印参数如气压、电场强度、脉冲频率及占空比等因素对于蜡模打印的影响；优化实验参数，制作了可用于PDMS转印的石蜡微模板，模板线宽为61.25 μm，高度为44.13 μm；结合微转印技术和等离子改性技术制作了微米级微流道芯片样件，并通过实验验证了其具备微流控芯片的基本特征。     

高性能电加热玻璃3D打印与微转印复合制造工艺

为了解决透明电加热玻璃制造技术难以兼顾电加热玻璃加热线的透光率、导电性以及附着力的问题,开发了一种可低成本、批量化实现高性能电加热玻璃制造的复合工艺。该工艺采用电场驱动熔融喷射沉积(Electric-field-driven Fusion Deposition,EFD)3D打印和UV辅助微转印复合制造透明电加热玻璃。根据复合制造工艺原理,选择及配制了EFD 3D打印、UV辅助微转印介质以及加热线材料。通过具体实验揭示了主要工艺参数对制造透明电加热玻璃加热线结构参数的影响以及规律,并确定了复合制造工艺的最佳工艺窗口。依据最优工艺参数实现了有效图案化面积为60mm×70mm,线宽为15μm,高宽比为0.7,周期为1 000μm,透光率为88%,方阻为0.5Ω/sq,附着力为4B级,加热线为线栅结构的透明电加热玻璃制造。实验结果表明:利用EFD 3D打印和UV辅助微转印复合工艺制造的透明电加热玻璃具有透光率高、方阻低及附着力高等优势。该复合工艺为实现低成本、高性能的电加热玻璃的批量化制造提供了全新的解决方案。     

喷射打印用纳米银浆流变特性数值模拟研究

为探究纳米银浆在影响参数下经过喷射打印通道的流变特性,文中以纳米银浆的喷射打印过程为背景建立二维轴对称的几何模型,设定层流和静电物理场,选择动力粘度、表面张力、横向电场以及介电常数为影响参数,利用 COMSOL 软件对纳米银浆在不同条件作用下形成滴液的过程进行了数值模拟。结果表明:随着动力粘度增大,纳米银浆的最大速度增加,且其宽度与长度维度均变化明显;表面张力系数对纳米银浆的最大速度具有显著影响,而介电常数和电场强度对纳米银浆的流变特性的影响并不明显。由此可见,动力粘度及张力系数对纳米银浆流变特性的影响更为重要。     

聚合物熔体微滴喷射装置设计

针对现有3D打印制造技术对材料种类与形状的限制,结合现有微滴喷射制造技术,设计出了一种由螺杆挤出建压系统,电磁铁驱动的机械冲击系统,加热系统,温控系统和三维移动平台组成的聚合物熔体微滴喷射装置,并介绍了其工作原理。采用PP(聚丙烯)粉料作为熔体微滴喷射装置试验用料,通过调节加热温度,螺杆转速,机械冲击脉冲频率,喷嘴和基台距离等工艺参数和机械参数,实现了均匀可控的熔体输送和熔滴喷射,极大的拓展了传统聚合物3D打印所需材料种类与形状限制。     

基于电场驱动熔融沉积直写和微转印大面积透明电极制造

透明导电电极在触控屏、OLED、有机太阳能电池、电子纸、LCD、透明显示、透明电磁屏蔽等诸多光电子产品领域有着非常广泛的应用,然而,如何实现大面积银网格透明电极的低成本、批量化制造是学术界和产业界共同面临的一项挑战性难题和亟待突破的技术。结合电场驱动熔融沉积直写和液桥微转印技术,提出一种实现大面积透明电极低成本、批量化制造的新方法,通过试验揭示了主要工艺参数（打印床温度、功能材料表面张力、固化条件）对所制造透明电极分辨率和质量的影响及其规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,实现了图案化面积20 mm×20 mm,线宽4 μm,周期200 μm,透光率88.15%、方阻约12 Ω/sq的纳米银网格透明电极的制造。结果表明,基于电场驱动熔融沉积直写和微转印的大面积透明电极制造方法具有成本低、精度高、一致性好、效率高的显著优势,为大面积透明电极规模化制造提供了一种具有工业化应用前景的全新解决方案。     

微域保护气对金属微滴喷射过程影响机制研究

金属微滴喷射3D打印过程需在低氧环境(氧含量低于50 ppm)下进行,现有设备常采用带除氧系统的密闭手套箱来维持低氧环境,但因其空间受限,操作不便,很难适应该技术向应用领域拓展。在微滴喷射出口处构建微域低氧环境,既可保护微滴喷射时不被氧化,又能扩大该技术应用范围并提高操作灵活性,是促进金属微滴喷射3D打印技术工程化应用的一个关键。但施加保护气会产生气流扰动,不利于微滴稳定喷射和精确沉积。为解决现有微域保护技术不足,设计开发一种新型环形射流微域保护装置,结合微域保护下的锡合金微滴喷射试验与微域气流流场模拟,揭示氧化和气流动力学对微滴喷射过程作用机制。研究发现当保护气供应不足时,金属射流由于氧化表面张力降低、黏度增大(即Oh数增大),会断裂为带锥形拖尾的单颗熔滴;当保护气供应过大时,气流在射流根部产生二次涡,使射流二次断裂,并生成多颗熔滴。最终在合适参数下打印出较长沉积距离熔合良好、堆叠整齐的锡合金立柱和尺寸均匀、落点准确的凸点阵列,证实环形射流微域保护装置的有效性。研究成果可为金属微滴喷射3D打印技术的推广应用提供关键技术支持和理论基础。     

Fabrication and measurement of the performance of a printed EMI shielding mesh filter on PET film

In this paper, Electromagnetic interference (EMI) shielding mesh filter films are fabricated using the screen printing method. An EMI shielding mesh filter requires fine line patterns under 30 μm, therefore, the screen masks with fine-line screen mesh, as well as suitable ink composed of fine metal particles are required. Moreover, because the printed EMI shielding filter has to be fabricated on a PET film, the ink should be sintered at a temperature below 150°C not to deform the film. For the purposes of this study, a screen mesh with a mask of 20 μm line, and ink made nano silver paste with a sintering temperature of 140°oC, which could guarantee fine-line patterning on the PET, were used. The ink had a viscosity of 90,000–12,000 cps and metal content of 85% in weight. The printed EMI shielding mesh had a line width of about 24 μm and a thickness of about 2.5 μm. The measured surface resistance was 0.5∼0.7 ω/□, offering good electrical performance as an EMI mesh. A simple measurement system was used to evaluate the electrical shielding performance of the printed EMI shielding mesh. A comparison of the printed EMI shielding mesh with pure film without mesh and copper sheet revealed that the printed EMI shielding mesh is indeed capable of providing good electrical performance.     

Design of microstereolithography system based on dynamic image projection for fabrication of three-dimensional microstructures

As demands for complex microstructures with high aspect ratios have increased, the existing methods, MEMS and LIGA, have had difficulties coping with the number of masks and fabricable heights. A microstereolithography technology can meet these demands because it has no need of masks and is capable of fabricating high aspect ratio microstructures. In this technology, 3D part is fabricated by stacking layers, 2D sections, which are sliced from STL file, and the Dynamic Image Projection process enables the resin surface to be cured by a dynamic image generated with DMD™ (Digital Micromirror Device) and one irradiation. In this paper, we address optical design process for implementing this microstereolithography system that takes the light path based on DMD operation and image-formation on the resin surface using an optical design program into consideration. To verify the performance of this implemented microstereolithography system, complex 3D microstructures with high aspect ratios were fabricated.     

用于数码三维衍射图像的激光照排系统

研制了一种新型的用于数码三维衍射图像与光学可变图像的激光照排系统,采用空间光调制器(SL M)和全息干涉成像光学头进行子图输入和干涉条纹产生,系统在6 35 dpi图像分辨率下的运行效率达2 0 0 0 dot/s以上,该系统将为高效率制作2 D,2 D/3D和3D光变图像提供一种良好的工具。     

基于立体光固化3D打印的一体化石膏铸型的高温力学性能研究

机匣是航空发动机的重要承力构件,向大型化、整体化、匣体/管道一体化方向发展,对现有加工技术提出挑战。基于立体光固化3D打印的一体化石膏铸型制备方法,为机匣类轻质合金零件的精密铸造提供新思路。铸造用光固化树脂材料的烧失温度高、发气量大,这对石膏型材料的高温力学性能提出更高要求。因此,在确定石膏型力学性能的关键温度基础上,研究石膏型力学性能随温度的变化规律,探讨膏水比、填料比等对石膏型力学性能的影响机理,发展同化学组分晶须增强石膏型的方法。在此基础上,将石膏铸型500℃高温弯曲强度提高至2 MPa以上,并实现薄壁机匣样品（含有内径3 mm管路）的铸造。     

双光子三维微结构快速制备技术

建立了一种利用双光子聚合技术快速制备三维微结构的方法,并对加工分辨率进行了研究。通过对高速扫描原理的研究,提出了采用二维振镜与一维压电微移动台相结合,利用跳跃和扫描协同的运动模式,以段段扫描方式进行三维微结构加工的系统来提高其加工速度。实验制备千里马和具有木堆结构的三维光子晶体结构说明,采用上述扫描方式可使其加工速度较点点扫描方式提高10倍至1 000倍。实验结果表明,使用一定的激光功率时,其加工分辨率随曝光时间减小而显著提高,实验得到了50 nm的线宽分辨率,超过文献报道的100 nm的最高值。研究还表明,上述加工方法可实现激光三维微结构的快速制备并具有高分辨率加工的特点。     

一种纤维锌矿结构CuInS2纳米化合物的合成方法

CuInS2(CIS)是重要的三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族直接带隙半导体化合物光伏材料。纤维锌矿CIS的铜和铟原子共享一个晶格,因此其在化学计量比调控方面更加灵活,对高效太阳能电池具有重要意义。在低温条件下,通过简单高效的热注入法合成了在常温下能稳定存在的纤维锌矿CIS纳米化合物,并通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光谱仪(EDX)和紫外可见分光光度计(UV)分别对其晶相、形貌、化学计量比和能带值进行了分析。结果表明:合成的CIS纳米化合物呈纤维锌矿结构;能带值为1.47eV,非常接近最佳能带值;呈六边形纳米盘状,纳米盘厚度约为10nm,直径约为100nm;Cu∶In∶S的化学计量比为1.70∶1∶2.94。     

Design and development of PCD micro straight edge end mills for micro/nano machining of hard and brittle materials

One of the biggest challenges for mechanical micro/nano milling is the design and fabrication of high precision and high efficiency micro milling tools. Commercially available micro milling tools are either too expensive (around several hundred US dollars) or simply made from downsizing of macro milling tools, which is sometimes not appropriate for the specific micro/nano milling requirements. So the design and fabrication of custom micro milling tools are necessary. In this paper, a micro straight edge endmill (SEE) is designed. Static and dynamic FEM analyses have been done for the SEEs with different rake angles trying to identify their stiffness and natural frequencies. By wire electrical discharge machining (WEDM), the SEEs made of polycrystalline diamond (PCD) with three different rake angles have been fabricated. The evaluation milling on tungsten carbide (WC) and silicon wafer have processed on a nano milling center. Experimental results show the SEEs have a good ability to simultaneously micro/nano milling of both the side and bottom surfaces with submicron surface roughness, and the SEE has high accuracy for large aspect ratio thin wall machining. The milling experiments on silicon wafer have successfully demonstrated that ductile mode machining was achieved and the coolant played an important role in silicon wafer milling.     

一种三自由度并联纠偏平台的误差分析

锡膏印刷作为SMT工艺流程的第一道工序,也是SMT质量的基础。针对平台纠偏定位精度不高而导致印刷后PCB锡膏偏移的问题,从全自动锡膏印刷机定位平台的结构分析出发,根据其运动特性,建立纠偏系统的数学模型和纠偏量的误差模型,分析了并联平台产生系统误差的原因和作用过程;利用误差分析中的微分法,建立了纠偏平台随机误差的模型,分析了各重要尺寸对纠偏精度的影响,并根据纠偏精度计算出了构件精度要求,对关键构件的选型和实际生产装配要求有指导意义。     

基于Inventor的银浆脱泡搅拌机研究

在银浆生产灌装过程中,部分银浆中间会存在一些小气泡,且在放置时间长后会有银浆沉淀现象,这就会造成在使用过程中产生质量不合格的问题;本文从某企业实际情况出发,深入研究了机械振动对液态高浓度银浆的影响,以及机械传动效率等方面,最后利用Inventor软件进行设计、建模、仿真验证。