CN103407163A - 一种微纳三维打印喷头装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微纳三维打印喷头装置。包括控制器、储料盒、喷头主体部分，所述喷头主体部分包括有三组直径不同的喷孔阵列，分别是A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列，三组直径不同的喷孔阵列分别与三个喷头连接，控制器包括中央处理单元、第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器、驱动电源，中央处理单元通过输出不同的脉冲信号来控制切换第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器的工作，第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器分别控制三组直径不同的喷孔阵列中每个喷孔的工作状态。本发明选用大孔径喷孔工作进行快速的粗加工，选用小孔径喷孔进行慢速的精加工，实现宏微复合的三维快速成型。

Description

一种微纳三维打印喷头装置

技术领域

本发明是一种微纳三维打印喷头装置，属于微纳三维打印喷头装置的创新技术。

背景技术

三维打印机是快速成型的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，其运动过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水喷涂到纸质介质上形成二维的图形，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷头喷射实现层层堆积叠加形成三维实体。目前，国内外三维打印机的喷头都是沿用的二维结构的设计，其喷孔直径都是单一尺寸的^[1]。

在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化^[2]。1995年，麻省理工的E Sachs,M Cima和J Cornie创造了“三维打印”一词^[3] [4]。

随着三维打印精度的提高，三维打印可以最大限度地发挥材料的特性，只把材料放在有用的地方，减少材料的浪费。随着三维打印速率的提高，可以加快生产，让三维打印技术可以投入在工业生产中。近年来，三维打印技术有了巨大的进步，很多设备都付诸了工业应用，开创了直接数字制造的时代。随着三维打印精度与打印速度的进一步提高，未来三维打印将得到进一步的普及运用^[5]。

喷头作为三维打印技术的核心部件，也是核心技术的地方，其技术参数和特性直接影响到三维打印机的工作性能和效率。近年来，国外围绕喷头方面做了很多方面的研究，如提高喷头分辨率，改善工艺提高喷头质量，改善喷射效果和增强喷射能力^[6]。

目前，商品化的三维打印机设计中均选择喷绘行业中已应用广泛的喷头。从喷墨原理上分，现行喷头主要有热泡式和压电式两种。压电式喷头不依靠加热，对喷射材料有广泛的适应性，且其对液体控制能力强，可达到精度高，更适合基于粉末和粘接剂原理的三维打印机。

高压静电纺丝技术，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法。电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出^[7]，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念^[8]，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。

目前，通过此技术已经实现了直径由几纳米到数百纳米范围内近百种不同聚合物纳米纤维、各种类型聚合物、无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备。由高压静电纺丝技术所制备的纳米纤维材料已经在光电子、传感器和生物科学领域表现出极大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种使得三维成型的加工精度和加工速度得以保障的微纳三维打印喷头装置。本发明解决单一尺寸喷孔的喷头在工作时不能满足不同精度要求的加工的缺点，提供一种含有多种直径尺寸规格喷孔的喷头，且通过合理可靠的电路控制喷孔的工作状态，使得喷头可以满足宏微复合的三维成型加工，其设计合理，方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的微纳三维打印喷头装置，包括有控制器、储料盒、喷头主体部分，所述喷头主体部分包括有三组直径不同的喷孔阵列，分别是A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列，A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列分别与三个喷头连接，所述控制器包括中央处理单元、第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器、驱动电源，中央处理单元通过输出不同的脉冲信号来控制切换第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器的工作，第一喷孔列控制器、第二喷孔列控制器、第三喷孔列控制器分别控制A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列三组喷孔阵列中每个喷孔的工作状态。

上述储料盒用于存储三维快速成型所需要的成型物质。

上述喷头主体部分为用于固定整个喷头的方形结构。

上述A组喷孔列由64个喷孔排成一列。

上述B组喷孔列由128个喷孔排成一列。

上述C组喷孔列由256个喷孔排成一列。

上述分别与A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列连接的喷头采用高压注射泵将溶液推进喷针，并采用近场静电纺丝技术进行三维快速成型。

上述中央处理单元为FPGA芯片。

上述分别与A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列连接的喷头分别与储料盒连接，喷头与储料盒是否处于连通状态通过控制器来控制。

上述分别与A组喷孔列、B组喷孔列、C组喷孔列连接的喷头通过高压电源给喷头的针头施加高电压，通过高压静电让聚合物溶液产生射流，最终在工作平面进行高精度三维成型。

本发明提供一种基于静电纺丝技术的直写三维打印喷头，其结构主要包括三组直径分别为1mm，0.5mm和0.1mm大小的喷孔阵列，喷头主体部分，储料盒以及驱动电路四个部分组成。其中三组喷孔系列用于针对不同加工精度要求的的加工。喷头主体部分是喷头的外壳，用于固定喷头各个组件的位置。储料盒用于三维加工成型用的材料的存储及传输。驱动电路用于控制各个喷孔的工作状态。储料盒与喷孔之间用可编程高压注射泵连接。在没加电压时，喷嘴处聚合物溶液在针头由于表面张力和重力的作用呈球状液滴，在电场力作用下，溶液中不同的离子或分子中具有极性的部分将向不同的方向聚集，喷嘴处的液滴表面就会聚集阳离子或分子中的缺电子部分。接通高压电源，在喷嘴处的液滴就会从球状液滴被拉长为锥状，也就是所谓的“泰勒锥”。在此，带电液滴在稳定落下5mm之后产生一个震荡、不稳定的喷射流阶段，因此保持喷头与加工面的距离在5mm之内的位置，在液滴滴落过程中溶剂会迅速挥发，在指定位置最终得到成形的纤维成型。本发明与其他现有技术相比，其优点如下：

1)使用多组喷孔，可以适用于不同加工精度的三维快速成型。

2)使用多组喷孔，可以在保证精度要求前提下的提高三维快速成型的成型速度。

3)在喷头组切换时，进行                                               

轴方向位移补偿，可以提高三维快速成型的成型精度。

4)利用静电纺丝原理进行打印，可以实现微纳级别三维快速成型，大幅度提高三维快速成型的成型精度。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的微纳三维打印喷头装置。

附图说明

图1为本发明三维喷头打印装置的示意图；

 图2为本发明喷孔排列示意图；

图3为本发明驱动电路的原理图；

图4为本发明喷嘴的原理图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的微纳三维打印喷头装置，包括有控制器1、储料盒2、喷头主体部分3，所述喷头主体部分3包括有三组直径不同的喷孔阵列4，分别是A组喷孔列5、B组喷孔列6、C组喷孔列7，A组喷孔列5、B组喷孔列6、C组喷孔列7分别与三个喷头连接，所述控制器1包括中央处理单元11、第一喷孔列控制器12、第二喷孔列控制器13、第三喷孔列控制器14、驱动电源15，中央处理单元11通过输出不同的脉冲信号来控制切换第一喷孔列控制器12、第二喷孔列控制器13、第三喷孔列控制器14的工作，第一喷孔列控制器12、第二喷孔列控制器13、第三喷孔列控制器14分别控制A组喷孔列5、B组喷孔列6、C组喷孔列7三组喷孔阵列中每个喷孔的工作状态。

上述储料盒2用于存储三维快速成型所需要的成型物质。

上述喷头主体部分3为用于固定整个喷头的方形结构。

在图2中，喷孔阵列设置三列，上述A组喷孔列5有64个直径为1mm大小的喷孔，喷孔之间的间距是80um；B组喷孔列6为第二列，有128个直径为0.5mm大小的喷孔，喷孔之间的间距是40um；C组喷孔列7为第三列，有256个直径为0.1mm大小的喷孔，喷孔之间的间距是20um。列与列之间喷孔中心间距为2.25mm。

在图3中，中央处理单元11通过输出不同的脉冲信号来控制切换第一喷孔列控制器12、第二喷孔列控制器13、第三喷孔列控制器14的工作，第一喷孔列控制器12、第二喷孔列控制器13、第三喷孔列控制器14分别控制A组喷孔列5、B组喷孔列6、C组喷孔列7三组喷孔阵列中每个喷孔的工作状态，第一喷孔列控制器12只包含一个分控制器，控制A组喷孔列5的64个喷孔，喷射前第一喷孔列控制器12以串行移位的方式输入一个64位二进制数据，每个二进制位的值（0或1）对应A组喷孔列5中一个喷孔在喷射时的状态（不喷或喷）；第二喷孔列控制器13内包含两个分控制器，控制B组喷孔列6中的128个喷孔，每个分控制器控制其中64个喷孔，喷射前第二喷孔列控制器13需以串行移位的方式输入一个128位二进制数据，每个二进制位的值（0或1）对应B组喷孔列6中一个喷孔在喷射时的状态（不喷或喷）；第三喷孔列控制器14包含四个分控制器，控制C组喷孔列7中的256个喷孔，每个分控制器控制其中64个喷孔，喷射前第三喷孔列控制器14需以串行移位的方式输入一个256位二进制数据，每个二进制位的值（0或1）对应C组喷孔列7中一个喷孔在喷射时的状态（不喷或喷）。

当对精度要求不高时，默认使用A组喷孔列5中直径大小为240um的喷孔组进行喷涂成型工作，其X方向进步速度为V。当移动到

位置，需要中等精度的成型工艺，则通过控制器切换为B组喷孔列6中直径大小为120um的喷孔组进行工作，同时喷头向x负方向移动2.25mm做出位移补偿，则第二次精确加工的x轴上起始位置为

，此时的喷涂成型速度为V/2。当移动到

位置，需要更高精度的成型工艺，则通过控制器将工作喷孔组从B组喷孔列（6）切换到C组喷孔列7中直径大小为60um的喷孔组进行工作，同时喷头再向x负方向移动2.25mm做出位移补偿，则第三次精确加工的x轴上起始位置为，此时喷涂成型速度为V/4。

通过类似以上步骤就可以做到从A组喷孔列的喷头、B组喷孔列的喷头和C组喷孔列的喷头的交互作业。当采用A组喷孔列的喷头进行工作时，三维成型精度最低，但三维成型速度最快。当采用C组喷孔列的喷头进行工作时，三维成型精度最高，但三维成型速度最慢。B列喷头是两者之间的一个过渡。

在图4中，由高压注射泵8将溶液注射进喷孔，然后通过高压电源9给针头施加高电压，使得在针头附近形成泰勒锥，继续提高电压，就会形成一股极细的喷流喷射在工作平台10上。这股喷流在5mm内运动轨迹是线性的，因此我们通过近场成型可以完成高精度的三维成型。

本发明工作原理为：用控制器选择不同的喷孔组进行工作。每个喷孔组用控制器以串行移位的方式输入一个n位二进制数据，n为改组喷孔的个数，每个二进制位的值（0或1）对应一个喷孔在喷射时的状态（不喷或喷）。

当进行喷头切换时，根据所切换两组喷头中心距的大小n以及切换的方向，打印喷头在x轴运动方向上空走

。

当喷头工作状态从直径为d大小的喷孔转换为直径为D大小的喷孔时，其喷涂频率保持不变，x方向的给进速率从V1转换为V2（V1为V2的D/d倍）。

通过闭环控制，将所需空走距离以及给进速率反馈给电机控制卡，用于控制给进速度。

Claims (10)

1.一种微纳三维打印喷头装置，其特征在于包括有控制器（1）、储料盒（2）、喷头主体部分（3），所述喷头主体部分（3）包括有三组直径不同的喷孔阵列（4），分别是A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7），A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7）分别与三个喷头连接，所述控制器（1）包括中央处理单元（11）、第一喷孔列控制器（12）、第二喷孔列控制器（13）、第三喷孔列控制器（14）、驱动电源（15），中央处理单元（11）通过输出不同的脉冲信号来控制切换第一喷孔列控制器（12）、第二喷孔列控制器（13）、第三喷孔列控制器（14）的工作，第一喷孔列控制器（12）、第二喷孔列控制器（13）、第三喷孔列控制器（14）分别控制A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7）三组喷孔阵列中每个喷孔的工作状态。

2.根据权利要求1所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述储料盒（2）用于存储三维快速成型所需要的成型物质。

3.根据权利要求1所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述喷头主体部分（3）为用于固定整个喷头的方形结构。

4.根据权利要求1所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述A组喷孔列（5）由64个喷孔排成一列。

5.根据权利要求1所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述B组喷孔列（6）由128个喷孔排成一列。

6.根据权利要求1所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述C组喷孔列（7）由256个喷孔排成一列。

7.根据权利要求1至6任一项所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述分别与A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7）连接的喷头采用高压注射泵（8）将溶液推进喷针，并采用近场静电纺丝技术进行三维快速成型。

8.根据权利要求7所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述中央处理单元（11）为FPGA芯片。

9.根据权利要求7所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述分别与A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7）连接的喷头分别与储料盒连接，喷头与储料盒是否处于连通状态通过控制器来控制。

10.根据权利要求7所述的微纳三维打印喷头装置，其特征在于上述分别与A组喷孔列（5）、B组喷孔列（6）、C组喷孔列（7）连接的喷头通过高压电源（9）给喷头的针头施加高电压，通过高压静电让聚合物溶液产生射流，最终在工作平面进行高精度三维成型。

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