CN106799831B - 一种基于复合接收板的近场直写装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于复合接收板的近场直写装置，包括高压电源、推注系统、控温系统、运动控制系统以及复合接收板，所述的推注系统内装填打印原料，推注系统的针头垂直指向复合接收板表面；所述的复合接收板包括导电接收板和绝缘层，所述的绝缘层覆盖导电接收板朝向针头的一侧；所述的高压电源分别接在针头以及导电接收板上，使针头和复合接收板之间形成高压电场；所述的控温系统控制推注系统和复合接收板的温度，运动控制系统控制复合接收板沿XYZ轴任意运动。本发明能够提高近场直写技术中射流定位精度，进而提高基于近场直写技术的3D打印技术的成型精度问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于复合接收板的近场直写装置，属于微结构制造领域。
背景技术
静电纺丝技术是一种制备微/纳米纤维最简单、方便的方法。早在1934年，Formhals在一系列专利中提到关于聚合物性质对接收板上带电纤维的影响。随后，利用静电纺丝制备聚合物纤维的研究开始受到广泛关注。聚合物液滴在高压静电场的作用下，首先形成一股稳定的带电射流，而后开始不规则摆动，最后形成无序的纳米纤维沉积在接收板上。直到2006年，孙道恒等人提出近场直写技术，利用短暂的稳定射流实现单根纤维的精确沉积过程，为直写微加工领域开拓了新的方法。
三维打印技术(3D打印)是一种通过逐层打印来构造实体的快速成型技术。熔融沉积式3D打印机无需昂贵的激光设备、打印材料多为价格低廉的工程塑料，总体性价比较高。其打印方式是将热熔性的原料在喷头处加热后挤出，再通过逐层堆积的方式实现物体的制造。但由于受到喷头直径的限制，原料挤出后形成纤维的过程中受到膨胀效应的作用，造成纤维的直径通常要比喷头的直径粗，导致以此纤维堆积而成的三维实体的精确度较差，不能满足微纳结构的打印要求。
因此，为解决熔融沉积式的3D打印机精度较低的问题，基于近场直写技术的3D打印技术被广泛关注。该技术利用近场直写技术制备连续的微(纳)米纤维，结合3D打印技术实现纤维的有序堆积，进而构建成高精度的三维结构，将3D打印技术的应用扩展至更为宽广的领域，特备是精密制造领域，如微小尺寸构件的精密制造、精细表面或功能层的制造。
目前广泛用于近场直写技术的接收板通常为导电接收板或半导体硅片。这类导电接收板被用于基于近场直写技术的3D打印技术中，普遍存在着射流难以精确定位的问题。当相邻两纤维需要极小间距排列时，新形成的纤维更倾向于重复地沉积到已有纤维沉积的位置，造成纤维排列极不均匀，从而无法实现真正意义上的3D打印。造成该现象的原因是：沉积到接收板上的纤维减小了针头与接收点之间的距离，从而引起针头和接收点之间的电场强度增强，使得新形成的纤维再次沉积到上一根纤维沉积位点，最终造成纤维的不均匀排布。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于复合接收板的近场直写装置，其目的在于提高近场直写技术中射流定位精度，解决纤维极近距离排布时，纤维排列不均匀的问题，进而提高基于近场直写技术的3D打印技术的成型精度问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于复合接收板的近场直写装置，包括高压电源、推注系统、控温系统、运动控制系统以及复合接收板；所述的推注系统内装填打印原料，推注系统的针头垂直指向复合接收板表面；所述的复合接收板包括导电接收板和绝缘层，所述的绝缘层覆盖导电接收板朝向针头的一侧；所述的高压电源分别接在针头以及导电接收板上，使针头和复合接收板之间形成高压电场；所述的控温系统控制推注系统和复合接收板的温度，运动控制系统控制复合接收板沿XYZ轴任意运动。
所述的导电接收板采用金属板或半导体硅片；所述的金属板包括但不限于铝板和铜板。
所述的绝缘层采用有机薄膜或无机薄膜；所述的有机薄膜包括但不限于定向聚丙烯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯；所述的无机薄膜包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝。
所述的打印原料为可静电纺丝的聚合物，包括但不限于聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯和聚丙烯。
所述针头与复合接收板的导电距离为1-10mm。
所述针头与接收板的相对运动速度为0.5-5m/min。
所述推注系统的推注速率为0.5-3ml/h。
本发明的有益效果是：复合接收板由绝缘层和导电接收板复合组成，新增的绝缘层将形成的纤维和导电接收板隔绝开，使得针头和导电接收板之间的电场不受新形成纤维的影响，进而提高了近场直写过程中射流的定位精度，解决纤维极近距离排列时分布不均匀的问题。
附图说明
图1是本发明的工作原理图，
其中，①-注射泵，②-控温仪，③-加热装置，④-高压电源，⑤-复合接收板。
图2是复合接收板的组成示意图，
其中，⑥-绝缘层，⑦-导电接收板，⑧-运动系统及恒温台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明采用的具体技术方案如下：
1)其整套装置包括：高压电源发生器、推注系统、控温系统(主要用来控制注射器和恒定导电接收板的温度)、XYZ运动控制系统(主要控制复合接收板的运动)以及复合接收板；所述的复合接收板包括导电接收板(金属板、半导体硅片)、绝缘层(仅完全覆盖于针头正对的导电接收板表面)，使复合接收板可以保持某一恒定温度并沿XYZ轴任意运动，推注系统的针头与接收板垂直放置。
2)将打印原料装入推注系统，使其在针头处形成球形液滴，将高压电源分别接在针头处以及导电接收板上，使其在针头和复合接收板之间形成高压电场，在高压电场的作用下，液滴的稳定性被破坏，形成细小的单一射流，在库仑力的作用下，加速沉积到复合接收的绝缘层上形成微(纳)米纤维。已沉积的微(纳)纤维和导电的金属接收板被绝缘层隔开，使得已沉积的纤维不影响针头和金属接收板之间的电场，从而使纤维可以均匀地紧密地排列在绝缘层上。通过调节接收板的控温系统使复合接收板稳定在打印材料熔点以下的某一恒定温度，使沉积到接收板上的微(纳)米纤维迅速固化，并且可以与已形成的微(纳)米纤维紧密结合而已形成的结构又不被破坏。
3)通过XYZ运动控制器设计预打印微结构运动轨迹，使其复合接收板的运动路径与微结构的信息相一致，每完成一个纤维层的电纺后，使XYZ运动平台沿Z轴下降一个纤维层的高度。依次循环直至完成整个微结构的电纺。
所述复合接收板由导电接收板半导体硅片和绝缘层构成，且绝缘层完全覆盖于针头正对的导电接收板表面。
所述导电接收板包括铝板(K＝35.34Ω·m)、铜板(K＝58.14Ω·m)、半导体硅片等导电性较好的接收板。
所述绝缘层包括有机薄膜：定向聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯以及无机薄膜：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝。
所述打印原料为可静电纺丝的聚合物，通过使用溶剂或加热的方法制备为具有一定粘度的均一溶液，包括聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等。
所述针头与复合接收板的导电的距离为1-10mm。
所述针头与接收板的相对运动速度为0.5-5m/min。
所述推注速率为0.5-3ml/h。
本发明所述的一种用于近场直写微加工技术的复合接收板，工作时包括以下具体步骤：
1)将绝缘层完全⑥覆盖于针头正对的导电接收板的正表面⑦上，再将其固定在带有恒温控制系统的XYZ运动系统上，形成新型复合接收板⑤，使复合接收板可以沿XYZ轴任意运动。
2)将打印原料用溶剂溶解或加热熔融后装入推注系统①，调整推注速率在0.5-2ml/h之间，分别将高压电源的两端与针头和导电接收板⑦相连接，使针头和导电接收板⑦之间形成高压电场，调整针头和复合接收板⑤之间的距离在1-10mm之间，使被推出的液滴可以在高压电场的作用下，表面的稳定性被破坏，形成微小射流，在库仑力的作用下，加速沉积到复合接收的绝缘层⑥上形成微(纳)米纤维，依次往复电纺，即可得到均匀且紧密排列的单层纤维，再逐层重复电纺即可得到三维微(纳)米结构。通过调节复合接收板⑤的控温系统使复合接收板⑤温度稳定在打印材料熔点以下的某一恒定温度，可使沉积到绝缘层⑥上的微(纳)米纤维迅速固化，并且可以与已沉积的微(纳)米纤维紧密结合，且已沉积的结构不被破坏。
3)通过XYZ运动控制器设计预打印微结构运动轨迹，每完成一层电纺，使复合接收板沿Z轴下降一层的高度，依次循环直至完成整个微结构。
具体实施例一
1)将绝缘层固定在导电接收板上，形成新型复合接收板。再将复合接收板固定在带有恒温控制系统的XYZ运动系统上，使复合接收板可以沿XYZ轴任意运动。
2)将聚己内酯颗粒装入带有不锈钢针头的玻璃注射器中加热至150℃使其熔融，保温4h以上并排除气泡，放置推注泵上，调整推注速率为0.9ml/h；将高压电源的两端分别与针头和导电接收板相接，使针头和金属接收板之间形成高压电场；调整复合接收板和针头的距离为5mm，使被推注出的液滴在高压电场的作用下，形成微小细流，通过库仑力的拉伸，进一步形成微(纳)米纤维，最终使纤维均匀且紧密地沉积在复合接收的绝缘层上。调整复合接收板的移动速率为2m/min，使沉积在绝缘层上的纤维笔直而连续；调节接收板上的控温系统，使其恒定在50℃，该温度可以使沉积在绝缘层上的纤维快速固化，并在相邻纤维层之间也起到重要的连接作用。
3)每完成一个纤维层的电纺，将复合接收板沿Z轴方向向下下降一个纤维层的厚度，然后继续第二个纤维层的电纺，依次重复循环直至完成整个三维微结构的电纺。
具体实施例二
1)将绝缘层固定在导电接收板上，形成新型复合接收板。再将复合接收板固定在带有恒温控制系统的XYZ运动系统上，使复合接收板可以沿XYZ轴任意运动。
2)将聚己内酯加入到六氟异丙醇中溶解，形成15％的溶液，将溶液吸入10ml注射器中，放置在推注泵上，调整推注速率为0.4mm/min；将高压电源的两端分别与针头和复合接收板的导电接收板相接，使其在针头和导电接收板之间形成高压电场；调整复合接收板和针头的距离为3mm，使被推注出的液滴在高压电场的作用下，形成微小射流，通过库仑力的拉伸，进一步形成微(纳)米纤维，最终形成的纤维均匀且紧密地沉积在复合接收板的绝缘层上；调整复合接收板的移动速率为3m/min，使沉积在绝缘层上的纤维无扭曲，笔直而连续；调节复合接收板上的控温系统，使其恒定在-4℃，该温度可以使沉积在绝缘层上的纤维快速固化，并在相邻两个纤维层之间起到重要的连接作用。
3)每完成一个纤维层的电纺，将复合接收板沿Z轴方向向下下降一个纤维层的厚度，然后继续第二个纤维层的电纺，依次重复循环直至完成整个三维微结构的电纺。
Claims (7)
1.一种基于复合接收板的近场直写装置，包括高压电源、推注系统、控温系统、运动控制系统以及复合接收板，其特征在于：所述的推注系统内装填打印原料，推注系统的针头垂直指向复合接收板表面；所述的复合接收板包括导电接收板和绝缘层，所述的绝缘层覆盖导电接收板朝向针头的一侧；所述的高压电源分别接在针头以及导电接收板上，使针头和复合接收板之间形成高压电场；所述的控温系统控制推注系统和复合接收板的温度，运动控制系统控制复合接收板沿XYZ轴任意运动。
2.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述的导电接收板采用金属板或半导体硅片；所述的金属板包括但不限于铝板和铜板。
3.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述的绝缘层采用有机薄膜或无机薄膜；所述的有机薄膜包括但不限于定向聚丙烯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯；所述的无机薄膜包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝。
4.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述的打印原料为可静电纺丝的聚合物，包括但不限于聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯和聚丙烯。
5.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述针头与复合接收板的导电距离为1-10mm。
6.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述针头与接收板的相对运动速度为0.5-5m/min。
7.根据权利要求1所述的基于复合接收板的近场直写装置，其特征在于：所述推注系统的推注速率为0.5-3ml/h。
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