CN107053653A - 基于电场‑热场复合的电喷射3d打印装置及方法 - Google Patents

基于电场‑热场复合的电喷射3d打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于电场‑热场复合的电喷射3D打印装置及方法。该方法在电场‑热场复合作用下电喷射打印微纳3D过程中，墨水在流体场和重力场复合作用下以恒定流速到达喷针口，然后利用喷针与衬底间的电场剪切力将墨水“拖拽”形成远小于喷孔尺寸的微纳米稳定射流，同时结合热场对墨水的热辐射促使墨水中溶剂加速蒸发，最后射流在衬底上层层叠加，形成微纳尺度3D结构。该方法与液滴喷射式打印技术相比，具有材料适应性强、复杂微纳3D结构可制造等优势。

Description

基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置及方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印是近年来快速发展起来的先进制造技术，相比传统的“去除式”制造技术，它可以快速精密制造出形状复杂的零件，并减小加工工序，缩短加工周期，在航空航天、生物医疗、电子信息等领域具有广阔的应用前景。
M/NEMS器件已从平面、单一结构发展为3D、复杂、柔性结构，而且制造工艺力求简单。3D打印可以实现任意设计结构的快速制造，可以满足M/NEMS器件对复杂、3D、柔性结构的需求。在打印技术中，液体式喷射打印技术是实现3D M/NEMS器件打印制造的重要途径。液滴喷射式打印技术主要依靠压电、超声、热泡等方式产生压力，将腔室内液体挤压至喷孔形成液滴。这种依靠“推力”的液滴喷射式打印技术的液滴直径约为喷孔直径的两倍。由于受到喷孔尺寸限制，目前喷孔直径为20-50微米，这种依靠“推力”的液滴喷射式打印技术的最小分辨率大于20微米。此外，用于M/NEMS器件制造的墨水包括金属、聚合物、陶瓷等，这些墨水需要在一定温度下固化。因此，3D M/NEMS器件在打印过程中，需要施加一定温度，使这些墨水逐层固化并累加形成三维结构。但是，压电、超声、热泡等液滴喷射式打印技术的打印分辨率强依赖喷孔尺寸，在微米级结构打印过程中，这种加热方式极易使墨水在喷孔处固化，进而导致喷孔堵塞。所以，这种依靠压电、超声、热泡等方式的液滴喷射式打印技术难以实现微纳米尺度下3D结构的打印制造，限制了其在3D M/NEMS器件上的应用。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足之处，提供一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印方法。利用施加在喷孔处的电场力，将墨水“拖拽”形成远小于喷孔尺寸的微纳米尺度稳定射流，由于喷孔相对于接地的衬底具有高电势，墨水中电荷发生迁移，且聚集在锥形墨水表面，在电场力、机械力、体液表面张力等共同驱动作用下，在喷针口处形成远小于喷孔尺寸的微纳米尺度稳定射流。同时在喷孔和衬底之间施加热场，将打印到衬底上的墨水固化，逐层打印-固化-成型，打印制造微纳米尺度3D结构。所述方法材料适应性广、分辨率高、墨水固化速率快、可制造复杂微纳3D结构，可广泛应用于3D M/NEMS器件的制造。
本发明的技术方案：
一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置，首先墨水在流体场和重力场复合作用下以恒定流速到达喷针口；然后喷针与衬底间施加高压电场，利用产生的电场剪切力将墨水“拖拽”形成远小于喷孔尺寸的微纳米稳定射流；结合热场对墨水的热辐射促使墨水中溶剂加速蒸发；最后射流在衬底上层层叠加，形成微纳尺度3D结构。
基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置，包括电动力喷射模块、XYZ移动模块、热场模块和控制模块；
电动力喷射模块包括精密注射泵1、注射器2、墨水3、连接管4、喷针夹具5、喷针6和高压电源13；精密注射泵1上方装有注射器2，注射器2内含墨水3，注射器2与喷针6通过连接管4连接；所述的喷针6安装于喷针夹具5上；喷针夹具5固定在Z轴上，与喷针6配合部分为导体，与Z轴配合部分为绝缘体；高压电源13输出端通过导线与喷针夹具5的导体部分连接；
XYZ移动模块包括光学平台9、打印平台基板10和衬底11；光学平台9上方有XYZ运动轴，其电源线连接220V交流电源，实现XYZ三个方向运动；Y轴通过螺栓固定在光学平台9上，X轴固定在Y轴上方，Z轴上安装喷针夹具5，调节喷针6打印高度；打印平台基板10与地接通，可为陶瓷或金属材质；衬底11置于打印平台基板10上，并随之运动，结合喷针6在Z轴方向的移动，在衬底11上实现3D结构12的打印制造。
热场模块包括3D结构12、电源14、温度控制器15、加热棒16、加热灯17和加热丝18，电源14为温度控制器15、加热棒16、加热灯17和加热丝18提供电压，加热棒16内嵌在打印平台基板10内，加热灯17置于衬底11与喷针6之间，加热丝18环绕在喷针6外壁，不同热源可产生三种位置不同的热场；温度控制器15检测热场温度并调节电源14输出电流，以改变加热棒16、加热灯17、加热丝18实际功率，进而调节热场温度；墨水3经电动力喷射模块形成的精细射流，受热场作用，射流中溶剂迅速挥发，半固化或固化的细小液滴不断到达衬底11，层层累积制造出微纳3D结构12。
控制模块包括上位机7和运动控制器8，上位机7利用监控软件反馈3D打印过程，并实时调节打印参数。所述的运动控制器8通过USB数据线接受上位机7发出的控制命令，并将运动参数输出XYZ运动轴。
一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印方法，步骤如下：
1)电喷射稳定液滴形成
注射器2吸入墨水3，在精密注射泵1推压下，墨水3通过连接管4到达喷针6，其中，精密注射泵1调节打印过程中墨水3的流量，通过Z轴上下运动，调节喷针6喷孔与衬底11垂直距离，高压电源13在喷针6与打印平台基板10之间施加高电压，并产生电场力，墨水3在电场力、机械力、体液表面张力复合作用下于喷针6喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微纳米级稳定液滴。
2)热场辅助下3D结构制造
电源14、温度控制器15与热源(加热棒16或加热灯17或加热丝18)产生稳定热场，温度控制器15调节热场温度，墨水3在喷针6内、流喷射中、衬底11上均可受到热场辐射。依据微纳3D结构12，在上位机7编写XYZ轴运动控制程序，通过运动控制器8控制打印平台基板10、喷针6的运动状态，同时设定墨水3流量。经过电场拖拽与热场辐射，精细射流中溶剂快速挥发，微小液滴逐渐变为半固化-固化，达到衬底11后层层累积，配合XYZ轴的运动形成微纳米尺度3D结构12。打印平台基板10与喷针6间的电场、热场、XYZ轴运动状态、墨水3流量等共同影响微纳3D结构12。
本发明的有益效果：基于热场-电场复合的电喷射3D打印方法制造3D结构，是利用电场力拖拽功能墨水并形成微纳米级稳定射流，同时热场作用微小液滴使其快速固化制造3D结构的一种新方法。此方法具有材料适应性强、复杂微纳3D结构可制造等优势。
附图说明
图1为基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置简图。
图2为打印平台基板内嵌加热棒简图。
图3为加热灯辐照简图。
图4为喷针外壁环绕加热丝简图。
图中：1精密注射泵；2注射器；3墨水；4连接管；5喷针夹具；6喷针；7上位机；8运动控制器；9光学平台；10打印平台基板；11衬底；12 3D结构；13高压电源；14电源；15温度控制器；16加热棒；17加热灯；18加热丝。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。实施例的电场-热场复合的电喷射3D打印装置主要包括电动力喷射模块、XYZ移动模块、热场模块、控制模块四部分。
所述的注射器2置于精密注射泵3上方，墨水3装于注射器2内，所述的墨水3为聚乙二醇溶液，其中溶剂为乙醇与去离子水的混合液，聚乙二醇质量分数为40％；连接管4两端分别与注射器2、喷针6连接；所述的喷针6安装固定在喷针夹具5上，喷针6含有内径为80±5μm喷孔；所述的喷针夹具5安装在Z轴上，与喷针6配合部分为导体，与Z轴上配合部分为绝缘体。所述的高压电源13输入电压为220V交流电源，输出电压1000V，其输出端通过导线与喷针夹具5的导体部分连接。
所述的光学平台9上方有三个运动轴，其电源线连接220V交流电源，可实现XYZ三个方向运动，Y轴通过螺栓固定在光学平台9上，X轴固定于Y轴上，Z轴上安装喷针夹具5，适时调整喷针6打印高度，即喷针6与打印平台基板10的垂直距离，打印时高度为200μm；所述的打印平台基板10接地，可为陶瓷或金属材质，且通过绝缘材质螺钉、垫圈固定Y轴上；所述的衬底11置于打印平台基板10上，并随之运动，结合喷针6在Z轴方向的移动，可在衬底11上实现3D结构12的打印制造。
所述的电源14是220V交流电源，为温度控制器15、加热棒16、加热灯17、加热丝18提供电压，加热棒16内嵌在打印平台基板10内，加热灯17置于衬底11与喷针6之间，加热丝18环绕在喷针6外壁，不同热源可产生三种位置不同的热场，热源的最大输出功率为400W。所述的温度控制器15温度监控范围25-500℃，用于检测热场温度并调节电源14输出电流，以改变加热棒16、加热灯17、加热丝18实际功率，进而调节热场温度。墨水3经电动力喷射模块形成的微纳米级精细射流，受热场作用，射流中溶剂迅速挥发，半固化或固化的细小液滴不断到达衬底11，层层累积制造出复杂微纳3D结构12。
所述的运动控制器8通过USB数据线接受上位机7发出的控制命令，并利用232接口将运动参数输出XYZ运动轴，即控制打印平台基板10、Z运动轴运动方向和速度。
实施例的具体实施步骤如下：
1)电喷射稳定液滴形成
量程为250μL的注射器2吸入墨水3(聚乙二醇溶液)，在精密注射泵1推压下，墨水3通过连接管4到达喷针6，喷针6的喷孔内径为200±5μm，其中，精密注射泵1调节打印过程中墨水3流量。通过Z轴上下运动，调节喷针6喷孔与衬底11垂直距离，高度为200-500μm。高压电源13在喷针6与打印平台基板10之间施加2000-4000V电压，并产生强电场力。墨水3在电场力、机械力、体液表面张力复合作用下于喷针6喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微纳米级稳定液滴，液滴直径为80nm-50μm。
2)热场辅助3D结构制造
电源14、温度控制器15与热源(加热棒16或加热灯17或加热丝18)产生稳定热场，温度控制器15调节热场温度，温度保持在100℃。墨水3在喷针6内、流喷射中、衬底11上均可受到热场辐射。依据微纳3D结构，在上位机7编写XYZ轴运动控制程序，并利用USB数据线先将控制命令传输给运动控制器8，运动控制器8再向XYZ运动轴发出运动命令，控制打印平台基板10、喷针6的运动方向和速度，XY轴的运动速度为5mm/s，Z轴的运动速度为1mm/s，此外，墨水3流量设定为0.5μL/min。经过电场拖拽出与热场辐射，精细射流中溶剂快速挥发，微小液滴逐渐变为半固化-固化，达到衬底11后层层累积，形成微纳米尺度3D结构12。打印平台基板10与喷针6间的电场、热场、XYZ轴运动状态、墨水3流量等共同影响复杂微纳3D结构12。
本发明的显著效果是：基于热场-电场复合的电喷射3D打印方法制造3D结构，是利用电场力拖拽功能墨水并形成微纳米级稳定射流，同时热场作用微小液滴使其快速固化制造3D结构的一种新方法。此方法具有材料适应性强、复杂微纳3D结构可制造等优势。

Claims (3)

1.一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印装置，其特征在于，所述的电喷射3D打印装置包括电动力喷射模块、XYZ移动模块、热场模块和控制模块；
电动力喷射模块包括精密注射泵(1)、注射器(2)、墨水(3)、连接管(4)、喷针夹具(5)、喷针(6)和高压电源(13)；精密注射泵(1)上方装有注射器(2)，注射器(2)内含墨水(3)，注射器(2)与喷针(6)通过连接管(4)连接；所述的喷针(6)安装于喷针夹具(5)上；喷针夹具(5)固定在Z轴上，与喷针(6)配合部分为导体，与Z轴配合部分为绝缘体；高压电源(13)输出端通过导线与喷针夹具(5)的导体部分连接；
XYZ移动模块包括光学平台(9)、打印平台基板(10)和衬底(11)；光学平台(9)上方有XYZ运动轴，其电源线连接220V交流电源，实现XYZ三个方向运动；Y轴通过螺栓固定在光学平台(9)上，X轴固定在Y轴上方，Z轴上安装喷针夹具(5)，调节喷针(6)打印高度；打印平台基板(10)与地接通，可为陶瓷或金属材质；衬底(11)置于打印平台基板(10)上，并随之运动，结合喷针(6)在Z轴方向的移动，在衬底(11)上实现3D结构(12)的打印制造；
热场模块包括3D结构(12)、电源(14)、温度控制器(15)、加热棒(16)、加热灯(17)和加热丝(18)，电源(14)为温度控制器(15)、加热棒(16)、加热灯(17)和加热丝(18)提供电压，加热棒(16)内嵌在打印平台基板(10)内，加热灯(17)置于衬底(11)与喷针(6)之间，加热丝(18)环绕在喷针(6)外壁，不同热源可产生三种位置不同的热场；温度控制器(15)检测热场温度并调节电源(14)输出电流，以改变加热棒(16)、加热灯(17)、加热丝(18)实际功率，进而调节热场温度；墨水(3)经电动力喷射模块形成的精细射流，受热场作用，射流中溶剂迅速挥发，半固化或固化的细小液滴不断到达衬底(11)，层层累积制造出微纳3D结构(12)；
控制模块包括上位机(7)和运动控制器(8)，上位机(7)利用监控软件反馈3D打印过程，并实时调节打印参数；所述的运动控制器(8)通过USB数据线接受上位机(7)发出的控制命令，并将运动参数输出XYZ运动轴。
2.一种基于电场-热场复合的电喷射3D打印方法，其特征在于，步骤如下：
1)电喷射稳定液滴形成
注射器(2)吸入墨水(3)，在精密注射泵(1)推压下，墨水(3)通过连接管(4)到达喷针(6)，其中，精密注射泵(1)调节打印过程中墨水(3)的流量，通过Z轴上下运动，调节喷针(6)喷孔与衬底(11)垂直距离，高压电源(13)在喷针(6)与打印平台基板(10)之间施加高电压，并产生电场力，墨水(3)在电场力、机械力、体液表面张力复合作用下于喷针(6)喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微纳米级稳定液滴；
2)热场辅助下3D结构制造
电源(14)、温度控制器(15)与热源产生稳定热场，温度控制器(15)调节热场温度，墨水(3)在喷针(6)内、流喷射中、衬底(11)上均受到热场辐射；依据微纳3D结构(12)，在上位机(7)编写XYZ轴运动控制程序，通过运动控制器(8)控制打印平台基板(10)、喷针(6)的运动状态，同时设定墨水(3)流量；经过电场拖拽与热场辐射，精细射流中溶剂快速挥发，微小液滴逐渐变为半固化-固化，达到衬底(11)后层层累积，配合XYZ轴的运动形成微纳米尺度3D结构(12)；打印平台基板(10)与喷针(6)间的电场、热场、XYZ轴运动状态、墨水(3)流量共同影响微纳3D结构(12)。
3.根据权利要求2所述的电喷射3D打印方法，其特征在于，所述的热源为加热棒(16)或加热灯(17)或加热丝(18)。
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