CN103612391B - 一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，该方法将3D打印技术的分层制造原理与近场静电纺丝微小液滴或微纳纤维丝成形控制技术相结合，首先利用计算机设计零件模型，并对模型的轮廓数据和填充数据处理得到喷头与接收平台的相对运动数据；然后通过控制电压、接收距离、流速、温度、湿度等因素将材料液体制备成微纳液体流或微微纳纤维丝；并通过碰头与接收平台的相对移动实现微纳液体流或微微纳纤维丝的有序堆积；通过分层制造，层层堆积进而实现了微纳米结构的成形制造；本发明可以实现微纳结构的多材料、低成本快速制造。

Description

一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法

技术领域

本发明涉及微纳制造与增材制造技术领域，具体为一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法。

背景技术

3D打印直接利用计算机设计的三维模型，无需刀具与模具，通过由点到线、由线到面、由面到体的分层离散与堆积过程，快速实现复杂零件的制造。英国《经济学人》杂志认为，3D打印技术与其它数字化生产模式一起，将推动并实现第三次工业革命。目前，市场上已有各种商业化的3D打印方法及其装备，包括光固化法、熔融沉积法、选区激光烧结法等。但是，现有的3D打印方法或局限于特定的成形材料、或需要昂贵的仪器设备(激光器)，更重要的是很难制造出具有微纳结构的三维实体零件，从而极大地限制了3D打印技术的普及应用，尤其是在微纳制造技术领域。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，该方法不仅可以极大扩展3D打印技术的材料适用范围，而且可以以较低成本实现具有微纳结构的三维零件的一体化制造。

为达到上述目的，本发明所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法包括以下步骤：

1)绘制微纳结构的三维零件模型，对三维零件模型进行分层处理，得到三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；

2)将液态材料装入数控挤出装置内，调整液态材料的挤出速度，将数控挤出装置的挤出喷头与直流高压发生器的正极相连，调节直流高压发生器的输出电压，然后将接收平台接地，使挤出喷头与接收平台之间形成高压静电场，然后调整挤出喷头与接收平台之间的距离，使挤出喷头挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝；

3)通过数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中第一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳液体流时，则通过控制接收平台的温度和湿度使微纳液体流固化；当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳纤维丝时，则通过控制接收平台的温度和湿度来调控微纳纤维丝的固化程度，使微纳纤维丝与相邻微纳纤维丝之间牢固融合，即可在接收平台上制造出与三维零件模型中第一分层截面轮廓相一致的第一分层截面结构；

4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层截面厚度的距离，然后让挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中后一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳液体流或微纳纤维丝与前一分层截面结构粘结固化后，形成三维零件模型中后一分层截面结构；

5)通过重复步骤4)的过程，逐层完成三维零件模型各分层截面结构的制作，从而得到微纳结构的三维零件实体。

所述三维零件模型中每一分层截面结构的厚度均为0.0005-0.1mm；

所述液体材料的挤出速度为0.2～10ml/h；

所述挤出喷头或接收平台运动过程中挤出喷头与接收平台的相对速度为0.001～2m/s。

所述直流高压发生器输出电压为0.1～15kV。

步骤2)中所述然后调整挤出喷头与接收平台的距离，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝的具体操作为，然后将挤出喷头与接收平台的距离调整至0.5-5mm之间，使挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝。

所述液态材料为将材料加热溶解后得到熔融状态的液态材料或将材料溶于有机或无机溶剂得到的材料溶液。

所述数控挤出装置为精密注射泵。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述基于近场静电纺丝技术的微纳结构的3D打印方法根据液态材料在高压静电场的作用下制备成微纳液体流或微纳纤维丝的技术特点，同时结合3D打印方法的分层制造技术，将近场静电纺丝所纺制的微纳纤维丝或微纳液体流排列粘连成二维微纳米结构或三维微纳米结构。该方法可极大扩充3D打印技术的材料选择范围，并且成本低，大幅提高3D打印技术的成形精度，从而实现三维微纳结构的制造。

附图说明

图1为本发明中各装置的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法包括以下步骤：

1)绘制微纳结构的三维零件模型，对三维零件模型进行分层处理，得到三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；所述三维零件模型中每一分层界面结构的厚度均为0.0005-0.1mm；

2)将液态材料装入数控挤出装置内，调整液态材料的挤出速度，将数控挤出装置的挤出喷头与直流高压发生器的正极相连，调节直流高压发生器的输出电压，然后将接收平台接地，使挤出喷头与接收平台之间形成高压静电场，然后将挤出喷头与接收平台之间的距离调整至0.5-5mm之间，使挤出喷头挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝。优选的，所述数控挤出装置为精密注射泵。

3)通过数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中第一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳液体流时，则通过控制接收平台的温度和湿度使微纳液体流固化；当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳纤维丝时，则通过控制接收平台的温度和湿度来调控微纳纤维丝的固化程度，使微纳纤维丝与相邻微纳纤维丝之间牢固融合，即可在接收平台上制造出与三维零件模型中第一分层截面轮廓相一致的第一分层截面结构，其中液体材料的挤出速度为0.2～10ml/h，挤出喷头或接收平台运动过程中挤出喷头与接收平台的相对速度为0.001～2m/s，直流高压发生器输出电压为0.1～15kV。

4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层截面厚度的距离，然后让挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中后一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳液体流或微纳纤维丝与前一分层截面结构粘结固化后，形成三维零件模型中后一分层截面结构；

5)通过重复步骤4)的过程，逐层完成三维零件模型各分层截面结构的制作，从而得到微纳结构的三维零件实体。

所述液态材料为将材料加热溶解后得到熔融状态的液态材料或将材料溶于有机或无机溶剂得到的材料溶液。

其中，X轴与Y轴组成的平面与水平面平行，且X轴与Y轴相互垂直，Z轴与水平面垂直。

实施例一

配制利用基于近场静电纺丝的3D打印方法制备微纳结构所使用的液态材料时，按体积比1：1取N，N-二甲基甲酰胺和丙酮按，以N，N-二甲基甲酰胺和丙酮按的混合物为溶剂，将聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)溶解在该溶剂内，形成质量分数为15％的PLGA溶液，制备微纳结构时以PLGA溶液为液态材料。

所述基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法包括以下步骤：

1)利用计算机辅助设计软件设计具有微纳结构的三维零件模型，然后对该三维零件模型进行分层处理，分层厚度为0.01mm，从而形成三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；

2)将制备的液态材料装入精密注射泵内，控制液态材料的挤出速度为0.4ml/h，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，将直流高压发生器的输出调整至0.8kV，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整控制挤出喷头与接收平台之间的距离为1mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微纳液体流；

3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头按照三维零件模型的第一层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，保持挤出喷头与接收平台的相对运动速度为0.3m/s，通过控制接收平台的温度为-20℃使微纳液体流固化，并与相邻微纳纤维丝间形成牢固融合，从而在接收平台上制造出与三维零件模型第一分层截面的轮廓相一致的分层截面结构；

4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层厚度的距离，然后让挤出喷头按照三维零件模型第二分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳液体流能够与第一分层结构粘结固化在一起，从而完成三维零件模型第二分层轮廓结构的制造；

5)按照步骤4)的方法逐层完成三维零件模型各分层轮廓数据的制造，从而得到所设计的具有微纳结构的三维零件实体。

实施例二

在282℃下将等规聚丙烯颗粒加热熔化，以制备基于近场静电纺丝的3D打印方法所需要的液态材料。

所述基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法包括以下步骤：

1)利用计算机辅助设计软件设计具有微纳结构的三维零件模型，然后对该三维零件模型进行分层处理，分层厚度为0.01mm，从而得到三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；

2)将制备的液态材料装入精密挤压注射泵内，将注射泵加热保温至282℃，将液态材料的挤出速度控制到0.4ml/h，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，将直接高压发生器的输出电压调节至0.5kV，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整控制挤出喷头与接收平台之间的距离为1mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微纳纤维丝；

3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头按照三维零件模型的第一层截面轮廓数据和填充数据进行运动，保持挤出喷头与接收平台的相对运动速度为0.3m/s，通过控制接收平台的温度为110℃使微米纤维固化，并与相邻微纳纤维丝间形成牢固融合，从而在接收平台上制造出与三维零件模型第一分层截面的轮廓相一致的分层截面结构；

4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层厚度10μm的距离，然后让挤出喷头按照三维零件模型第二分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳纤维丝能够与第一分层截面结构粘结固化在一起，从而完成三维零件模型第二分层轮廓结构的制造；

5)根据步骤4)的方法逐层完成三维零件模型各分层轮廓数据的制造，从而得到所设计的具有微纳结构的三维零件实体。

Claims (5)

1.一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)绘制微纳结构的三维零件模型，对三维零件模型进行分层处理，得到三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；

2)将液态材料装入数控挤出装置内，调整液态材料的挤出速度，将数控挤出装置的挤出喷头与直流高压发生器的正极相连，调节直流高压发生器的输出电压，然后将接收平台接地，使挤出喷头与接收平台之间形成高压静电场，然后调整挤出喷头与接收平台之间的距离，使挤出喷头挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝；

3)通过数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中第一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳液体流时，则通过控制接收平台的温度和湿度使微纳液体流固化；当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳纤维丝时，则通过控制接收平台的温度和湿度来调控微纳纤维丝的固化程度，使微纳纤维丝与相邻微纳纤维丝之间牢固融合，即可在接收平台上制造出与三维零件模型中第一分层截面轮廓相一致的第一分层截面结构；

4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层截面厚度的距离，然后让挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中后一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳液体流或微纳纤维丝与前一分层截面结构粘结固化后，形成三维零件模型中后一分层截面结构；

5)通过重复步骤4)的过程，逐层完成三维零件模型各分层截面结构的制作，从而得到微纳结构的三维零件实体。

2.根据权利要求1所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，其特征在于，

所述三维零件模型中每一分层截面结构的厚度均为0.0005-0.1mm；

所述液体材料的挤出速度为0.2～10ml/h；

所述挤出喷头或接收平台运动过程中挤出喷头与接收平台的相对速度为0.001～2m/s。

3.根据权利要求1所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，其特征在于，所述直流高压发生器输出电压为0.1～15kV。

4.根据权利要求1所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，其特征在于，步骤2)中所述然后调整挤出喷头与接收平台的距离，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝的具体操作为，然后将挤出喷头与接收平台的距离调整至0.5-5mm之间，使挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝。

5.根据权利要求1所述的基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法，其特征在于，所述数控挤出装置为精密注射泵。