CN107160685A - 一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置及其工作方法，它解决了熔融微滴喷射3D打印精度低，打印材料受限，难以实现微尺度结构打印的问题，实现热相变、热塑性聚合物材料、复合材料等材料的复杂三维结构高精、高效、宏/微跨尺度化制造，其技术方案为：包括二维工作台，二维工作台上设置打印床，绝缘导热衬底吸附设置于打印床上，所述绝缘导热衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述喷嘴为武藏导电喷嘴，所述储料筒与背压控制单元连接；所述打印喷头外部套设加热器，所述加热器与温度控制单元连接。

Description

一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及增材制造和3D打印技术领域，特别是涉及一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置及其工作方法。

背景技术

材料喷射沉积3D打印是基于微滴喷射原理选择性沉积成形材料的一种增材制造方法，目前国际上提出已经提出多种材料喷射沉积3D打印工艺，主要包括喷墨(热泡或者压电)打印、气溶胶喷射(aerosol jet)、聚合物喷射(PolyJet)、纳米颗粒喷射技术(NanoParticle Jetting)等。但是，这些传统材料喷射沉积成形材料受限，要求打印材料的粘度较低(通常小于100cp)，可供打印材料种类有限，打印分辨率不高，目前还难以实现亚微尺度分辨率的打印(传统喷墨打印图形的最小线宽一般低于20微米)，尤其是还难以实现宏/微跨尺度制造，以及无法实现多材料多尺度一体化3D打印。在异质材料多层次复杂三维结构制造方面面临着巨大的挑战。

电流体动力喷射打印(Electrohydrodynamic Jet Printing，E-jet printing)亦称为电喷印，是近年由Park和Rogers等提出和发展的一种基于电流体动力学(EHD)的微液滴喷射成形沉积技术。与传统喷墨打印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，电流体动力喷射打印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。其基本原理是在导电喷嘴(第一电极)和导电基板(第二电极)之间施加高压脉冲电源，利用在喷嘴和基板之间形成的强电场力将流体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的流体会受到电致切应力的作用，当局部电荷静电力超过液体表面张力后，带电流体从喷嘴处喷射，形成极细的射流(由于是从尖端发射出的射流，射流直径远小于喷嘴直径，因此形成微液滴尺寸远远小于喷嘴尺寸，通常比喷嘴尺寸小1-2个数量级)，微液滴喷射沉积在打印床之上，并通过热/光等予以固化，逐层叠加制造实现复杂三维结构的低沉本制造。电流体动力喷射打印的分辨率不受喷嘴尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率微纳结构的制造，而且可供打印的材料种类广泛，以及能够实现高粘度材料的打印，打印材料的种类有了很大的拓展。该技术已经被应用于柔性电子、生物医疗、组织工程、光电子、微纳光学、复合材料、高清显示等诸多领域。显示了较好的工业化应用前景。

基于熔融微滴喷射的3D打印技术在诸多领域具有广泛的应用前景，而且还具有工艺简单、成本低、灵活性和适应性强等诸多优点。但是，已有的熔融微滴喷射成形技术，存在许多不足和局限性：(1)打印精度和分辨率低，难以实现微尺度结构打印，尤其是无法实现宏/微/纳多尺度和跨尺度制造；(2)可供打印的材料种类有限，难以实现高粘度熔融态材料打印；(3)传统熔融沉积成形技术是将熔融的聚合物材料挤出堆积成形，挤出的融化高分子材料是依靠重力向下堆积，使融化的高分子材料与底板或前一层固化的聚合物材料粘结固化成形，但由于重力的作用力较小，挤出的熔融聚合物材料粘结不牢固，制造零件的性能较差。电流体动力喷射3D打印的打印材料以溶液材料为主，用熔体材料打印的较少，而且打印的精度和质量不高。尤其成形件(打印件)高度受限制，主要是由于导电喷嘴与导电衬底之间距离的限制，电喷印打印的高度一般限定在3毫米以下，难以实现大尺寸零件和宏/微跨尺度结构的制造。

因此，迫切需要开发新型高精度熔融微滴喷射3D打印，实现热塑性材料、聚合物基复合材料等多种热熔融材料的高精度、高效打印。尤其是实现该类材料宏/微/纳多尺度和跨尺度制造，解决生物支架、聚合物基碳纤维材料、纳米复合材料、3D结构电子等3D打印的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置，实现热相变、热塑性聚合物材料、复合材料等材料的复杂三维结构高精、高效、宏/微跨尺度化制造；

本发明具体的实现方案为：(1)导电喷嘴与高压脉冲电源正极连接；(2)采用导热绝缘的陶瓷外套将针管以及喷嘴处整体包裹，再使用环形加热器对陶瓷外套进行加热，储料筒以及喷嘴均匀受热，防止喷嘴堵塞，提高打印的稳定性和可靠性；(3)设置宏尺度和微尺度两种打印模式，同时兼顾打印精度和打印效率。微尺度打印模式下，采用较小的背压和较大的电场力，通过喷嘴的液体流量较小，强电场力使泰勒锥内部形成回流现象并为射流喷射提供足够的动能，微量液体突破泰勒锥形成射流，液体以极细的射流喷射沉积在接收衬底或已完成实体上；宏尺度打印模式下，采用较大的背压和较小的电场力，通过喷嘴的液体流量较大，较小的电场力无法维持大量液体在泰勒锥内部形成需要的回流，导致较大的液滴流被电场力拉出，被打印材料以较粗的线宽和较大厚度在接收衬底或已完成实体上沉积；(4)采用武藏喷嘴，实现高粘度材料喷射打印。

具体的，本发明采用下述技术方案：

一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置，包括二维工作台，二维工作台上设置打印床，绝缘导热衬底吸附设置于打印床上，所述绝缘导热衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述储料筒与背压控制单元连接；所述打印喷头外部套设加热器，所述加热器与温度控制单元连接。

进一步的，所述储料筒和加热器之间设置导热保温元件，导热保温元件包覆在打印喷头外部。导热保温元件将加热器的温度传导给储料筒，且能起到保温作用，可以维持储料筒以稳定温度。

优选的，所述导热保温元件为陶瓷外套。

进一步的，所述加热器呈圆环形，加热器包覆在导热保温元件外部。加热器工作，加热的热量通过导热保温元件传导给储料筒。

进一步的，所述加热器为陶瓷加热圈。外壳为不锈钢皮，中层有耐高温保温棉，高频陶瓷内有优质镍铬电阻丝，打印过程中，温度可保持120℃恒定。

进一步的，所述喷嘴为导电喷嘴，优选为武藏喷嘴。

所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为0Hz-3000Hz。

进一步的，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与储料筒连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通。

进一步的，所述精密调压阀的工作压力范围是：0.1-8bar；为喷头提供稳定且精确可调的气动压力来驱动流体。

进一步的，所述打印床内设置电加热装置，所述电加热装置为电加热棒或电加热片，电加热装置可以通过对打印喷射出的材料进行保温加热，实现打印材料之间无缝粘合，提高结构强度。

上述电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置的工作原理为：根据打印材料的熔点，设定温度，开启环形加热器加热，直至储料筒内打印材料处于完全熔融状态，根据热电偶检测的结果，一旦到达设定的温度，调节环形加热器，保持储料筒内打印材料的熔融状态；压缩空气经精密调压阀调压后推动储料筒中的液体达到喷嘴位置，开启高压脉冲电源，在电场力和背压控制单元的背压的共同作用下，处于熔融状态的打印材料形成稳定的射流，将打印材料喷射沉积到衬底(或者已成形表面)上，结合X-Y水平工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在接收衬底上，形成零件的截面轮廓；零件的一层截面成形完成后，打印喷头上升一个截面的高度，以已完成实体表面为目标打印位置再进行下一层截面的沉积，如此循环，最终形成三维实体。

一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将二维工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距绝缘导热衬底设定距离，启动加热器将打印喷头内打印材料进行加热至设定温度；

步骤2：开始打印工作，打印喷头和绝缘导热衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至绝缘导热衬底表面，二维工作台按设定路径运动，完成一层的打印过程；

步骤3：重复步骤2，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤4：打印完成，将二维工作台和Z向工作台移动至原始工位，取下绝缘导热衬底和成形零件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)导电喷嘴与高压脉冲电源正极连接，打印衬底材料不受限制，能够避免传统电喷印中导电喷嘴与导电基板之间短路和击穿放电现象，提高打印的稳定性和可靠性。

(2)使用武藏喷嘴，喷嘴不易损坏。相对于普通针头来说，武藏喷嘴前端管道内部形状更好的减少了阻力，从而确保了高流动性。和一般精密针头相比较，针头前段内部较短，不易堵胶，提高使用寿命。内径抛光处理，提高针头内部表面光滑度，实现微量稳定出胶；前端抛光处理，有效防止拉丝和爬胶。适合从高粘度到低粘度的材料喷印。

(3)使用陶瓷外套以及环形加热器对整体喷头结构加热，加热效果好，具有一定的保温效果。陶瓷材料导热性能优良，导热均匀，而且相比于金属材料，散热较慢，具有一定的保温效果。

(4)采用环形加热器，外层为不锈钢皮，内层为陶瓷加热圈，加热效果好，并且安全可靠。

(5)打印精度高。微尺度打印模式下利用强电场力形成的极细锥射流进行打印，可以实现微尺度甚至亚微尺度结构的高分辨率制作。

(6)打印效率高。设置微尺度和宏尺度两种打印模式，对于精度要求不高的结构采用宏尺度打印模式，对于精度要求高的结构采用微尺度打印模式，兼顾打印精度和打印效率。

(7)宏微跨尺度结构一体化打印。既可用来制作宏尺度工件，也可用来制作微观结构，突破传统3D打印技术打印精度跨度小的限制，实现同一打印模型上宏微跨尺度结构一体化打印。

(8)喷头模块可移植性强。喷头模块作为一独立模块可以移植到任何三轴工作台上进行打印。

(9)能够实现极高粘度材料的打印，打印材料不受限。

(10)操作简单，成本低。

(11)结合配置的多个喷头，能够实现多材料多尺度一体化打印。

本发明可用于航空航天、微纳机电系统、生物医疗、组织器官、新材料(点阵材料、超材料、功能梯度材料、复合材料等)、3D功能结构电子、可穿戴设备、新能源(燃料电池、太阳能等)、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、印刷电子、可延展电子、软体机器人等诸多领域和行业。尤其适合组织支架、3D功能结构电子、复合材料等领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置的结构示意图。

图2是本发明打印喷头剖面示意图。

图中，1X-Y工作台，2打印床，3绝缘导热衬底，4高压脉冲电源，5温度控制单元，6喷头固定架，7打印喷头，701武藏喷嘴，702储料筒，703陶瓷外套，704环形加热器，8Z向工作台，9背压控制单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在熔融微滴喷射3D打印精度低，打印材料受限，难以实现微尺度结构打印，尤其是无法实现宏/微/纳多尺度和跨尺度制造的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置及其工作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置，它包括X-Y工作台1(即二维工作台)，打印床2，绝缘导热衬底3，高压脉冲电源4，温度控制系统5，喷头固定架6，打印喷头7，Z向工作台8，背压控制单元9。其中，打印床2置于X-Y工作台1之上；绝缘导热衬底3置于打印床2之上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在打印床2上。打印喷头7温度由温度控制单元5控制，从而可以维持稳定温度，打印喷头7的武藏喷嘴与高压脉冲电源4的正极相连，打印喷头7通过喷头固定架6安装在Z向工作台8上。背压控制单元9与打印喷头7上部的进气口相连接。

X-Y工作台1是二维位移台，可以采用步进电机、伺服电机、直线电机等驱动方式。本实施例中X-Y工作台1采用精密直线电动滑台，带动打印平台2在X-Y方向上运动。工作行程：200mm，重复定位精度≤2μm。

打印床2设置有电加热装置，电加热装置为电加热棒或电加热片，加热温度范围为0-150℃，打印平台尺寸为130mm×130mm。电加热装置可以通过对打印喷射出的材料进行保温加热，实现打印材料之间无缝粘合，提高结构强度。打印床2材料可以是金属导电材料，也可以是非金属绝缘材料。

绝缘导热衬底具有绝缘和良好的导热性能。本实施例中绝缘导热衬底3采用玻璃材质，平台面积为130x130毫米。

高压脉冲电源4输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为0-3000HZ。

温度控制系统为温度控制器，可使加热模块加热到设定温度并使储料筒保持设定温度。本实施例中温度控制单元5采用REX-C100高精度温控器，控温范围为0-1200℃，可根据设定温度保持温度恒定。

喷头固定架6为金属材质，可以将打印喷头7固定于Z向工作台8上。

Z向工作台8是一维位移台，可以采用步进电机、伺服电机、直线电机等驱动方式。本实施例中Z向工作台8采用精密直线电动滑台，打印喷头7通过喷头安装支架6，带动喷头模块7在Z方向上运动。工作行程100mm，重复定位精度≤1μm。

背压控制单元9可以为精密调压阀，精密调压阀一端与空压机相连，另一端与打印喷头7的储料筒相连，调压范围为0.1-8bar，为喷头提供稳定且精确可调的气动压力来驱动流体。

图2为本发明打印喷头剖面示意图，它包括武藏喷嘴701，储料筒702，陶瓷外套703(即为导热保温元件)，环形加热器704。储料筒702与武藏喷嘴701相连接，将储料筒702与武藏喷嘴701用陶瓷外套703包裹，陶瓷外套703置于环形加热器704中，形成一个升温快速、温度稳定的、受热均匀的热熔融喷头。储料筒702与背压控制单元9连接。

武藏喷嘴701采用不锈钢材质，喷嘴内径为0.2mm，安装在储料筒704上，并通过导线将针尖部位与高压脉冲电源4正极相连接。

储料筒702为10ml加厚玻璃针筒，总长度为127.3mm，直径19mm，筒体长度109.5mm。

陶瓷外套703为耐高温绝缘陶瓷，外部为圆柱形，内部与武藏喷头701、储料筒702紧密连接。

环形加热器704为圆环形加热器，能将喷头结构整个包裹。本实施例中环形加热器704为陶瓷加热圈，外壳为不锈钢皮，中层有耐高温保温棉，高频陶瓷内有优质镍铬电阻丝，最高加热温度为500℃，打印过程中，温度可保持120℃恒定。

当然，本领域技术人员完全能够在本发明的启示下，根据本领域技术人员的公知常识，寻找到替换材质，这种替换为简单替换，无需付出任何创造性劳动即能想到。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置的工作方法，具体工艺步骤如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台、Z向工作台从原位移动到打印工位，固定在Z向工作台上打印喷头喷嘴的最下端移动到距离打印平台的预先设置的高度；据打印材料的熔点，设定温度，开启环形加热器加热，直至储料筒内打印材料处于完全熔融状态，根据热电偶检测的结果，一旦到达设定的温度，调节环形加热器，保持储料筒内打印材料的熔融状态；根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，调节背压控制单元，使储料桶内达到所需气压，高压脉冲电源开启；

步骤2：开始打印，在背压(压缩空气或者惰性气体经精密调压阀调压)的作用下，推动储料筒中的液体达到喷嘴位置，在导电喷嘴上施加脉冲高压，导电喷嘴与接收衬底之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体被拉出形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y水平工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在接收衬底上，形成零件的截面轮廓。零件的一层截面成形完成后，打印喷头上升一个截面的高度。

步骤3：打印喷头上升一个层厚高度，以已完成实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体/结构。

步骤4：关闭高压脉冲电源、环形加热器、背压控制单元等，X-Y工作台、Z向工作台从到原始工位，从打印平台上取下衬底和成形零件。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

选用聚己内酯Polycaprolactone(PCL)为打印材料，具体的打印工艺过程如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台1、Z向工作台8从原位移动到打印工位，固定在Z向工作台8上打印喷头7喷嘴的最下端移动到距离打印平台的预先设置的高度；据PCL的熔点，设定温度为120℃，开启环形加热器704加热，直至储料筒702内PCL处于完全熔融状态，根据温度控制系统5热电偶检测的结果，调节环形加热器704，保持储料筒702内PCL的熔融状态；根据所打印精度、零件尺寸等，背压控制单元设置好使用的压力(背压)，高压脉冲电源4开启；

步骤2：开始打印，在背压(压缩空气或者惰性气体经精密调压阀调压9)的作用下，推动储料筒702中的液体达到武藏喷嘴701位置，在武藏喷嘴701上施加脉冲高压，武藏喷嘴701与绝缘导热衬底3之间形成电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处液体被拉出拉长形成泰勒锥，当电场力与气体背压之和大于表面张力和黏度力之和，液滴自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台1按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在绝缘导热衬底3上，形成零件的截面轮廓。零件的一层截面成形完成后，打印喷头7上升一个截面的高度。

步骤3：打印喷头7上升一个层厚高度，以已完成实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体/结构。

步骤4：关闭高压脉冲电源4、环形加热器704、背压控制单元9等，X-Y工作台1、Z向工作台8从到原始工位，从打印床2上取下衬底和成形零件。

由于不同材料的粘度、导电性、消耗量等均不相同，需预先设置好每种材料的打印参数，在切换打印喷头的同时，调节高压脉冲电源、背压控制单元等装置参数使其适合该打印材料。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置，其特征是，包括二维工作台，二维工作台上设置打印床，绝缘导热衬底吸附设置于打印床上，所述绝缘导热衬底上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述喷嘴为武藏导电喷嘴；所述储料筒与背压控制单元连接；所述打印喷头外部套设加热器，所述加热器与温度控制单元连接，所述加热器为陶瓷加热圈。

2.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述储料筒和加热器之间设置导热保温元件，导热保温元件包覆在打印喷头外部。

3.如权利要求2所述的打印装置，其特征是，所述导热保温元件为陶瓷外套。

4.如权利要求2所述的打印装置，其特征是，所述加热器呈圆环形，加热器包覆在导热保温元件外部。

5.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印喷头通过喷头固定架固定于Z向工作台上。

6.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-8KV，输出脉冲频率范围为0Hz-3000Hz。

7.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与储料筒连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通。

8.如权利要求7所述的打印装置，其特征是，所述精密调压阀的工作压力范围是：0.1-8bar。

9.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印床内设置电加热装置，所述电加热装置为电加热棒或电加热片。

10.如权利要求1-9任一项所述的打印装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将二维工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距绝缘导热衬底设定距离，启动加热器将打印喷头内打印材料进行加热至设定温度；

步骤2：开始打印工作，打印喷头和绝缘导热衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至绝缘导热衬底表面，二维工作台按设定路径运动，完成一层的打印过程；

步骤3：重复步骤2，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤4：打印完成，将二维工作台和Z向工作台移动至原始工位，取下绝缘导热衬底和成形零件。