CN103407293A - 一种基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机。由打印机构主体，高压电源，驱动电源,运动控制器，CCD高速图像采集系统，计算机以及辅助电场控制器组成。本发明微纳三维打印机通过四自由度平台以及Z方向自由度的喷头来选择需要的相对位置进行成型加工，通过高压静电场使导电液滴发生高速喷射，通过CCD高速图像传感器对带电液滴进行跟踪反馈，通过辅助电场对带电液滴进行控制，通过计算器对所加辅助电场大小进行分析，通过辅助电场控制器对辅助电场的强度进行控制。本发明所提供基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机可以利用静电纺丝直写技术通过辅助电场控制液滴的位置可以实现在微纳级别的三维快速成型。
Description
技术领域
本发明是一种基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，属于三维打印机的创新技术。
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。
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[1]。1995年，麻省理工的E Sachs,M Cima和J Cornie创造了“三维打印”一词[2] [3]。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[4]。
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[5]，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[6]，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基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机。本发明不仅节省空间、成本低、使用安全、操作方便，使用寿命长。
本发明的技术方案是：本发明的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，包括有打印机构主体、高压电源、驱动电源、运动控制器、计算机以及辅助电场控制器，其中打印机构主体包括有平台支架、用于实现喷射液滴成型的打印喷头、用于控制打印喷头上下运动以控制喷头与平台之间的相对距离的Z轴向导轨、用于采集带电液滴的位置情况的CCD目镜、用于提供辅助电场来对带电液滴的位置进行有效控制的辅助电场电极片、用于使平台做各自由度运动的运动机构，辅助电场电极片装设在运动机构上，Z轴向导轨装设在运动机构的上方，打印喷头装设在Z轴向导轨上，CCD目镜装设在打印喷头的旁侧、且能检测到带电液滴的位置情况的位置上，高压电源给打印喷头以及辅助电场电极片提供电源，驱动电源给做各自由度运动的运动机构的驱动装置提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器分别与做各自由度运动的运动机构的驱动装置连接，用于对喷射带电液滴进行实时跟踪反馈的CCD目镜的信号输出端与计算机的信号输入端连接，用于分析调整液滴位置所需施加辅助电场强度的计算机的信号输出端与辅助电场控制器的信号输入端连接，用于调控辅助电场强度的辅助电场控制器与高压电源连接，高压电源与辅助电场电极片连接。
上述运动机构包括用于使平台做Z轴旋转向运动的Z轴旋转向平台、用于使平台做X轴向运动的X轴向微动平台、用于使平台做Y轴向运动的Y轴向微动平台、用于使平台做Y轴旋转向运动的Y轴向旋转轴,其中Y轴向微动平台装设在Y轴向旋转轴上，X轴向微动平台装设在Y轴向微动平台上，Z轴旋转向平台装设在X轴向微动平台上，辅助电场电极片装设在Z轴旋转向平台上，Z轴向导轨装设在Z轴旋转向平台的上方。
上述驱动电源给Z轴旋转向平台、X轴向微动平台、Y轴向微动平台、Y轴向旋转轴提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器分别与Z轴旋转向平台、X轴向微动平台、Y轴向微动平台、Y轴向旋转轴的驱动装置连接。
上述打印喷头采用能直写微纳级别的超细纤维的静电纺丝喷头，打印喷头在针尖处直接接通高压电源。
本发明微纳三维打印机通过四自由度平台以及Z方向自由度的喷头来选择需要的相对位置进行成型加工，通过高压静电场使导电液滴发生高速喷射，通过CCD高速图像传感器对带电液滴进行跟踪反馈，通过辅助电场对带电液滴进行控制，通过计算器对所加辅助电场大小进行分析，通过辅助电场控制器对辅助电场的强度进行控制。本发明所提供基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机可以利用静电纺丝直写技术通过辅助电场控制液滴的位置可以实现在微纳级别的三维快速成型。本发明是一种拥有五个自由度的打印机机构主体，且可以通过反馈系统对喷射带电液滴进行实时跟踪调整的方便实用的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机。
附图说明
图1为本发明基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机的示意图；
图2为本发明打印机构主体的等轴视图；
图3为本发明打印机构主体的正视图；
图4为本发明打印机构主体的侧视图；
图5为本发明打印机构主体的俯视图；
图6为本发明辅助电场的构成示意图。
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，本发明的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，包括有打印机构主体、高压电源11、驱动电源12、运动控制器13、计算机14以及辅助电场控制器15，其中打印机构主体包括有平台支架1、用于实现喷射液滴成型的打印喷头3、用于控制打印喷头上下运动以控制喷头与平台之间的相对距离的Z轴向导轨2、用于采集带电液滴的位置情况的CCD目镜4、用于提供辅助电场来对带电液滴的位置进行有效控制的辅助电场电极片5、用于使平台做各自由度运动的运动机构，辅助电场电极片5装设在运动机构上，Z轴向导轨2装设在运动机构的上方，打印喷头3装设在Z轴向导轨2上，CCD目镜4装设在打印喷头3的旁侧、且能检测到带电液滴的位置情况的位置上，高压电源11给打印喷头3以及辅助电场电极片5提供电源，驱动电源12给做各自由度运动的运动机构的驱动装置提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器13分别与做各自由度运动的运动机构的驱动装置连接，用于对喷射带电液滴进行实时跟踪反馈的CCD目镜4的信号输出端与计算机14的信号输入端连接，用于分析调整液滴位置所需施加辅助电场强度的计算机14的信号输出端与辅助电场控制器15的信号输入端连接，用于调控辅助电场强度的辅助电场控制器15与高压电源11连接，高压电源11与辅助电场电极片5连接。
本实施例中，上述运动机构包括用于使平台做Z轴旋转向运动的Z轴旋转向平台6、用于使平台做X轴向运动的X轴向微动平台7、用于使平台做Y轴向运动的Y轴向微动平台8、用于使平台做Y轴旋转向运动的Y轴向旋转轴9,其中Y轴向微动平台8装设在Y轴向旋转轴9上，X轴向微动平台7装设在Y轴向微动平台8上，Z轴旋转向平台6装设在X轴向微动平台7上，辅助电场电极片5装设在Z轴旋转向平台6上，Z轴向导轨2装设在Z轴旋转向平台6的上方。
上述驱动电源12给Z轴旋转向平台6、X轴向微动平台7、Y轴向微动平台8、Y轴向旋转轴9提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器13分别与Z轴旋转向平台6、X轴向微动平台7、Y轴向微动平台8、Y轴向旋转轴9的驱动装置连接。打印机构主体由运动控制器来控制其五个自由度的运动。驱动Z轴向导轨运动可以调整喷头与工作平面的间距，驱动Z轴旋转向平台旋转可以调整Z轴旋转平台完成圆弧成型，驱动X轴向微动平台运动可以调整喷头与工作平面的X向偏移，驱动Y轴向微动平台运动可以调整喷头与工作平面的Y轴向偏移，驱动Y轴向旋转轴可以调整平台Y轴旋转调整电场与重力场的耦合。
本实施例中，上述打印喷头3采用能直写微纳级别的超细纤维的静电纺丝喷头，打印喷头3在针尖处直接接通高压电源。
本实施例中，上述辅助电场电极片5设有4块，通过辅助电场控制器15控制高压电源11分别对4块辅助电场电极片5所加电压进行控制辅助电场。本实施例中，上述块辅助电场电极片5固定在打印平台上两两垂直，组成一个正方形。上述4块辅助电场电极片5通过函数关系 ，
控制不同位置处的平行电极片的电压差。
本发明的工作原理如下：将喷头喷针接高压正极，平台作为接收板接负极。在没加电压时，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，保持喷头与加工面的距离在10mm到15mm之间的位置，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，在此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。
在不稳定的射流阶段，用CCD目镜采集带电液滴位置，通过辅助电场电极片进行调控。稳定系统依靠电场产生电磁力对带电液滴运动进行控制。根据液滴不同位置对电极片提供不同大小的电压，产生不同的电场，液滴偏离预定位置越远，提供越大的电压。平行电极片的间距为d。带电液滴质量为m，所带电量为q。若X向和Y向偏移位置为
和
时，电源在X向提供一个
的电压差，在Y向提供一个
的电压差。则产生了X向的电场强度为
，Y向的电场强度为
。对带电液滴产生的X向电场力，Y向电场力。根据牛顿力学定律会对带电液滴产生X向加速度 ，Y向加速度 。所提供电压可设置为与偏移距离成线性关系即有 ，
，其中
为所设置电压与偏移的关系函数。这样就可以对带电液滴的位移偏置提供一个可控制的影响，通过PID控制器对其位置不断进行修正，从而控制液滴的位置。
图6所示，高压电源11通过PID控制器17分别给四个电极片提供不同的电压来控制辅助电场的工作，同时通过CCD高速图像采集系统14将带电液滴的位置反馈回来通过计算机分析所需提供各电极片电压将命令传送给PID控制器17，从而形成一个闭合的反馈回路。
本发明中，喷孔的直径为0.4mm,可以调整选配，所提供喷射电压为0-40KV之间，喷丝直径为5-20um。喷头与工作平面保持间距为1-15mm，电极片高度为1-15mm，平台工作区域大小为150mm*150mm，根据实际需要可做参数调整。在不稳定的射流阶段，用CCD目镜采集带电液滴位置，通过辅助电场电极片进行调控。稳定系统依靠电场产生电磁力对带电液滴运动进行控制。根据液滴不同位置对电极片提供不同大小的电压，产生不同的电场，液滴偏离预定位置越远，提供越大的电压。平行电极片的间距为300mm。带电液滴的质量及所带电荷通过调节溶液浓度以及所给电压来控制。平行电极片之间可提供0-50KV之间的电压差。
Claims (7)
1.一种基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于包括有打印机构主体(16)、高压电源（11）、驱动电源（12）、运动控制器（13）、计算机（14）以及辅助电场控制器（15），其中打印机构主体(16)包括有平台支架（1）、用于实现喷射液滴成型的打印喷头（3）、用于控制打印喷头上下运动以控制喷头与平台之间的相对距离的Z轴向导轨（2）、用于采集带电液滴的位置情况的CCD目镜（4）、用于提供辅助电场来对带电液滴的位置进行有效控制的辅助电场电极片（5）、用于使平台做各自由度运动的运动机构，辅助电场电极片（5）装设在运动机构上，Z轴向导轨（2）装设在运动机构的上方，打印喷头（3）装设在Z轴向导轨（2）上，CCD目镜（4）装设在打印喷头（3）的旁侧、且能检测到带电液滴的位置情况的位置上，高压电源（11）给打印喷头（3）以及辅助电场电极片（5）提供电源，驱动电源（12）给做各自由度运动的运动机构的驱动装置提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器（13）分别与做各自由度运动的运动机构的驱动装置连接，用于对喷射带电液滴进行实时跟踪反馈的CCD目镜（4）的信号输出端与计算机（14）的信号输入端连接，用于分析调整液滴位置所需施加辅助电场强度的计算机（14）的信号输出端与辅助电场控制器（15）的信号输入端连接，用于调控辅助电场强度的辅助电场控制器（15）与高压电源（11）连接，高压电源（11）与辅助电场电极片（5）连接。
2.根据权利要求1所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述运动机构包括用于使平台做Z轴旋转向运动的Z轴旋转向平台（6）、用于使平台做X轴向运动的X轴向微动平台（7）、用于使平台做Y轴向运动的Y轴向微动平台（8）、用于使平台做Y轴旋转向运动的Y轴向旋转轴（9）,其中Y轴向微动平台（8）装设在Y轴向旋转轴（9）上，X轴向微动平台（7）装设在Y轴向微动平台（8）上，Z轴旋转向平台（6）装设在X轴向微动平台（7）上，辅助电场电极片（5）装设在Z轴旋转向平台（6）上，Z轴向导轨（2）装设在Z轴旋转向平台（6）的上方。
3.根据权利要求1所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述驱动电源（12）给Z轴旋转向平台（6）、X轴向微动平台（7）、Y轴向微动平台（8）、Y轴向旋转轴（9）提供电源，用于对打印机构主体各自由度的运动进行控制的运动控制器（13）分别与Z轴旋转向平台（6）、X轴向微动平台（7）、Y轴向微动平台（8）、Y轴向旋转轴（9）的驱动装置连接。
4.根据权利要求1所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述打印喷头（3）采用能直写微纳级别的超细纤维的静电纺丝喷头，打印喷头（3）在针尖处直接接通高压电源（11）。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述辅助电场电极片（5）设有4块，通过辅助电场控制器（15）控制高压电源（11）对4块辅助电场电极片（5）所加电压进行控制辅助电场。
6.根据权利要求4所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述4块辅助电场电极片（5）固定在打印平台上两两垂直，组成一个正方形。
7.根据权利要求6所述的基于近场电纺直写技术的微纳三维打印机，其特征在于上述4块辅助电场电极片（5）通过函数关系 
，
来控制不同位置处的平行电极片的电压差。
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