CN107187017A - 一种多材料微尺度3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多材料微尺度3D打印装置及打印方法，包括用于将多种材料进行混合并打印的电流体动力喷头系统，所述喷头系统包括供料装置、微混合装置、紫外光固化灯及微喷嘴，所述的供料装置设置若干个微量注射泵和供料管路；所述的微混合装置中设置用于高粘度差材料有效混合的被动微混合器；所述被动微混合器包括进液流道、混合流道及出液流道，所述的进液流道的数量不少于2个，其与供料装置的供料管路连接，混合流道选择可对高粘度差等流体进行有效微混合的流道结构，所述的出液流道与微喷嘴连接；在所述微喷头出口的四周安装有紫外光固化灯。

Description

一种多材料微尺度3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种多材料微尺度3D打印装置及其打印方法。

背景技术

现阶段，随着微纳米技术的发展，复杂三维微结构在微纳机电系统、微流控芯片、微光学器件、印刷电子、超材料及功能梯度材料等领域有着广泛的应用和需求。然而，现有的光学光刻、电子束光刻技术、激光微细加工技术、软光刻及纳米压印光刻等微纳制造技术难以实现真三维的微尺度复杂结构(只能实现2维及2.5维微尺度结构的制备)，且这些制造技术存在着高成本、周期长、材料单一等问题。微尺度3D打印技术不仅具有可打印真三维复杂微结构等优势，而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点。

但是，现有微尺度3D打印技术大多数只能打印单一材料，例如基于双光子聚合的3D激光直写技术可3D打印出精度较高的微纳尺度三维复杂结构，然而材料只限于单一的光敏树脂材料。对于多材料微尺度3D打印方法，现阶段出现的主要是基于多喷头技术及单喷头主动混合技术的多材料3D打印工艺。然而，这两种工艺方法均存在诸多的不足和局限性。对于基于多喷头技术的多材料3D打印工艺存在的不足和局限性主要有：(1)多种材料不同组份的精确控制难以实现；(2)喷头的数量有限，打印多种材料时会增加喷头系统的复杂性，降低可控性，增加设备成本；(3)打印微尺度结构件时，需要频繁切换多个喷头，从而使得打印效率大大降低；(4)多喷头打印一般为一喷头工作，同一高度并行排列的其他喷头待命，待命状态的喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。对于基于单喷头主动混合技术的多材料3D打印工艺存在的不足和局限性主要有：(1)对于微尺度3D打印，采用单喷头宏尺度混合方法会使得喷头的混合、清洗频繁，降低打印效率及造成材料浪费；(2)对于微尺度3D打印，采用单喷头微尺度主动混合方法存在微喷头加工制备较为困难及繁琐，增加设备成本。另外，研究人员基于被动混合技术，提出了一种面向组织工程应用的梯度3D打印喷头，该技术采用的混合技术主要通过将每个进液口分支出多条分液流道，各分液口共同连接到混合流道，通过混合阀控制各进液口分支流道的开启及闭合数量，实现不同材料的不同比例混合，然而，该技术存在的不足和局限性主要为：(1)多材料、多比例的混合会增加分支流道的数量，增加微流控芯片的制备难度及使得混合阀的控制困难；(2)所采用的混合方法难以实现高粘度比等物性差异大流体的有效混合；(3)难以实现三维微尺度器件的打印。因此，现有的多材料3D打印技术仍然难以实现多材料三维微尺度构件的高效、一体化制造。

电流体动力喷射(电喷印)是由Park和Rogers等人提出和发展的一种基于电流体动力学微液滴喷射成形沉积技术，与传统喷印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，电喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流，射流沉积在衬底上，通过协同控制工作台和导电喷头的运动可实现三维微结构的制备。电喷印具有材料适用性广(从绝缘聚合物到导电聚合物，从悬浊液到单壁碳纳米管溶液，从金属材料、无机功能材料到生物材料等)、可高分辨率喷印高粘度液体、成本低及结构简单等突出优势，从而使其在多材料微尺度3D打印方面具有突出潜能，然而，现有多材料电喷印主要为基于多喷头及单喷头主动混合技术，存在现有多喷头及单喷头主动混合3D打印的不足。

因此，为了克服现有3D打印技术在多材料微尺度功能器件制备方面的不足和缺陷，实现多材料微尺度器件的材料、设计与制造的一体化高效、简单、低成本制备工艺，同时满足新材料开发、MEMS器件、电子产品、生物医疗及组织工程等对微结构控形、控性制造的要求。迫切需要开发一种新型的多材料微尺度3D打印新工艺和装备。

发明内容

鉴于以上描述的现有多材料微尺度3D打印技术存在的问题，本发明的目的是提供一种多材料微尺度3D打印装置及打印方法。该装置实现了多材料三维微尺度构件的一体化制造，提高了多材料三维微尺度构件的制备效率及降低了制备成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种多材料微尺度3D打印装置，包括用于将多种材料进行混合并打印的电流体动力喷头系统，所述喷头系统包括供料装置、微混合装置、紫外光固化灯及微喷嘴，所述的供料装置设置若干个微量注射泵和供料管路；所述的微混合装置中设置用于高粘度差材料有效混合的被动微混合器；所述被动微混合器包括进液流道、混合流道及出液流道，所述的进液流道的数量不少于2个，并与供料装置的供料管路连接，混合流道选择可对高粘度差等流体进行有效微混合的流道结构，所述的出液流道与微喷嘴连接；在所述微喷头出口的四周安装有紫外光固化灯。

优选的，所述紫外光固化灯与微喷头并列平行布置，以微喷头为中心，沿其周向布置多个UV光固化灯。

优选的，所述的微喷头为导电微喷头或作导电处理的微喷头，喷头的内径可选取的范围为0.5-500μm。

所述多材料微尺度3D打印装置，还包括三维工作台、载物台、打印基底、电源，所述载物台固定在X、Y工作台的上方，所述的喷头系统安装在Z轴上；打印基底固定在载物台上；电源的正极和负极分别与上述喷头系统的微喷头和载物台连接；通过三维工作台三轴之间的相对运动，实现了喷头系统和打印基底X、Y、Z三个方向的相对运动。

优选的，所述载物台为金属材质的真空吸盘，并通过真空负压实现对打印基底的固定。

优选的，所述多材料微尺度3D打印装置的打印材料为溶液或悬浊液，包括有机材料、无机材料、导电材料、生物材料、纳米材料及含有纳米粒子的复合材料等。

优选的，在所述喷头系统的微喷头附近设置显微摄像系统，监控实际电喷印过程，以及喷印过程图形的对准。

优选的，在所述载物台上设置一废液收集器皿，并通过真空吸盘固定，通过微注射泵将不同材料或不同比例材料混合切换时所产生的少量交叉混合材料通过微喷头排向废液收集器皿，保证每段混合材料混合比例的准确性。

上述多材料微尺度3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：

将打印基底固定在载物台上，调整微喷头出口与打印基底之间的工作距离，各路微量注射泵通过供料管路将多种材料输送进入喷头系统的微混合装置，多种材料经过被动微混合器的特殊流道结构后被充分混合，混合后的流体在微注射泵提供的进液压力及微喷头与载物台之间的电场作用下自微喷头处喷出，在基底表面进行打印；

当需要变换打印材料或混合材料的混合比例时，喷头系统切换至废液收集处，通过微量注射泵的液压将两种材料之间的交叉混合流体排尽，直至喷头处流出稳定的新材料为止。当需要改变微尺度结构件的尺寸时，通过改变微喷头与打印基底距离、微喷头与载物台之间的电压实现。

优选的，微喷头与打印基底间的工作距离为0.01-3毫米。

优选的，微喷头和载物台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率10Hz-1000Hz，输出波形为方形。

优选的，微混合装置选择使用可多比例连续混合高粘度差溶液的被动微混合器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明采用多个微量注射泵驱动多个供料管路，将多种材料输入到一被动微混合器中，多种材料在被动微混合器中被混合均匀，并可连续改变混合材料的混合比例，从而实现多材料微尺度3D打印。

(2)本发明采用的微混合器为可混合高粘度差溶液的被动微混合器，即其可混合的材料范围大。被动微混合器与主动混合器相比制作简单、成本较低、节省材料及稳定可靠。特别是微尺度的主动混合器制作成本较高，制备过程繁琐。

(3)本发明采用电喷印的打印方式，相比于传统喷墨打印等打印方式，材料兼容性更好，具有可打印高粘度流体等特性。本发明最终采用单喷头的形式实现多材料微尺度打印，克服了多喷头电喷印打印方式的不足和缺陷。

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是本发明实施例1的结构示意图

图2是本发明实施例2的原理示意图

图3是本发明实施例3的制备流程示意图

图中：1、三维工作台，2、载物台，3、废液收集器，4、高压脉冲电源，5、打印基底，6、多材料三维微尺度构件，7、微喷头，8、UV光固化灯，9、微混合装置，10、连接架，11、供料管路A，12、供料管路B，13、真空管路，14、进液流道，15、混合流道，16、出液流道，17、打印材料A，18、打印材料A与打印材料B交叉混合材料，19、打印材料B，20、废液，21、打印材料B与打印材料C交叉混合材料，22、打印材料C，23、打印材料C与打印材料D交叉混合材料，24、打印材料D。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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，现有技术中存在的多材料3D打印技术仍然难以实现多材料三维微尺度构件的高效、一体化制造和现有多材料电喷印主要为基于多喷头及单喷头主动混合技术，存在现有多喷头及单喷头主动混合3D打印的不足；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多材料微尺度3D打印装置及其打印方法。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种多材料微尺度3D打印装置；包括用于将多种材料进行混合并打印的电流体动力喷头系统和工作平台；

所述喷头系统包括供料装置、微混合装置、紫外光固化灯及微喷嘴，所述的供料装置设置若干个微量注射泵和若干个供料管路；所述的微混合装置中设置用于高粘度差材料有效混合的被动微混合器；所述被动微混合器包括进液流道、混合流道及出液流道，所述的进液流道的数量不少于2个，其与供料装置的供料管路连接，混合流道选择可对高粘度差等流体进行有效微混合的流道结构，所述的出液流道与微喷嘴连接；在所述微喷头出口的四周安装有紫外光固化灯。

工作平台包括三维工作台、载物台、打印基底、电源，所述载物台固定在X、Y工作台的上方，所述的喷头系统安装在Z轴上；打印基底固定在载物台上；电源的正极和负极分别与上述喷头系统的微喷头和载物台连接；通过三维工作台三轴之间的相对运动，实现了喷头系统和打印基底X、Y、Z三个方向的相对运动。

具体包括：如图1所示，三维工作台1，载物台2，废液收集器3，高压脉冲电源4，打印基底5，多材料三维微尺度构件6，微喷头7，UV光固化灯8，微混合装置9，连接架10，供料管路A11，供料管路B12，真空管路13；其中，载物台2固定在三维工作台的X-Y台上；打印基底5和废液收集器3通过真空管路13被固定在载物台上；高压脉冲电源4正极与微喷头7连接，负极与载物台2连接；UV光固化灯8与微喷头7平行布置，周向布置4个；微喷头7与微混合装置9连接；整个喷头系统被固定在连接架10上；微混合装置9通过供料管路A11与供料管路B12供料。

所述三维工作台1为三维精密位移台，实现载物台2在X-Y方向的运动、连接架10在Z方向上的运动，完成每一层结构的制造；采用LNR50SE电动位移台，垂直负荷和水平荷载分别为66磅(30公斤)与22磅(10公斤)。工作行程50毫米，双向重复定位精度0.3微米。

所述载物台2选用金属材质的真空吸盘，并与真空管路相连，通过真空负压实现对打印基底5吸附固定。

所述高压脉冲电源4输出脉冲电压0-4KV连续可调，输出脉冲频率10Hz-1000Hz，输出波形为方形。

所述废液收集器3用于收集多材料连续混合或多比例材料连续混合时产生的交叉混合流体。当微喷头需要喷印不同材料或不同混合比例的材料时，需将微喷头位置切换至废液收集器上方，并将高压脉冲电源关闭，加大微量注射泵的注射压力和速度，待交叉混合流体排尽后，将微喷头切换至打印件上方继续打印。

实施例2

图2是本发明喷头系统中被动微混合器的原理示意图，主要包括进液流道14，混合流道15，出液流道16；其中，进液流道14可选择多个，以实现多种材料的微混合，混合流道15选择可有效混合高粘度差液体的微混合器，以实现多种材料，尤其是具有不同物理特性的多种材料的多比例混合，如混合流道选择利用突扩效应打破流体接触面处的压力平衡、并结合分裂-重组结构诱发全局性流体扰动的被动微混合器，出液流道与微喷头相连接，以提供微混合均匀的微打印材料。

实施例3

图3是微尺度三维功能梯度结构器件的制备流程示意图，首先采用相关软件对材料的梯度分布进行优化设计；然后采用正交实验法研究混合聚合物微混合、电喷印及沉积成型工艺参数的匹配规律，设定各工艺过程的相关工艺参数；最后采用多材料微尺度3D打印实现微尺度三维功能梯度结构器件的制备。具体步骤如下：

步骤1对打印基底5进行洁净及疏/亲水化镀膜处理，对打印基底进行洁净处理后，通过对其疏水或亲水化处理改变其润湿特性，实现对三维微结构器件底面形貌的有效控制；

步骤2开始微混合第一段打印材料A17，并将混合完全的第一段打印材料A17按需打印至打印基底，并由与微喷头7并列排放的UV光固化灯8对沉积的微液滴快速固化；

步骤3开始微混合第二段打印材料B19，并将打印材料A17与打印材料B19两种混合材料间的交叉混合材料18排向废液收集器3，待交叉混合材料18排放完全后，将微喷头7位置归零。将混合完全的第二段打印材料B19按需打印至已固化的第一层固化聚合物上，且采用UV光固化灯8对第二层液滴进行快速固化；

步骤4开始微混合第二段打印材料C22，并将打印材料B19与打印材料C22两种混合材料间的交叉混合材料21排向废液收集器3，待交叉混合材料21排放完全后，将微喷头7位置归零。将混合完全的第三段打印材料C22按需打印至已固化的第二层固化聚合物上，且采用UV光固化灯8对第二层液滴进行快速固化；

步骤5开始微混合第三段打印材料D24，并将打印材料C22与打印材料D24两种混合材料间的交叉混合材料23排向废液收集器3，待交叉混合材料23排放完全后，将微喷头7位置归零；

步骤6，重复以上步骤，直至制得满足要求的n层固化聚合物，即实现微尺度三维功能梯度器件的制备。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，包括用于将多种材料进行混合并打印的电流体动力喷头系统，所述喷头系统包括供料装置、微混合装置、紫外光固化灯及微喷嘴，所述的供料装置设置若干个微量注射泵和供料管路；所述的微混合装置中设置用于高粘度差材料有效混合的被动微混合器；所述被动微混合器包括进液流道、混合流道及出液流道，所述的进液流道的数量不少于2个，其与供料装置的供料管路连接，混合流道选择可对高粘度差等流体进行有效微混合的流道结构，所述的出液流道与微喷嘴连接；在所述微喷头出口的四周安装有紫外光固化灯。

2.如权利要求1所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，所述紫外光固化灯与微喷头并列平行布置，以微喷头为中心，沿其周向布置多个UV光固化灯。

3.如权利要求1所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，所述的微喷头为导电微喷头或作导电处理的微喷头，喷头的内径可选取的范围为0.5-500μm。

4.如权利要求1所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，还包括三维工作台、载物台、打印基底和电源，所述载物台固定在X、Y工作台的上方，所述的喷头系统安装在Z轴上；打印基底固定在载物台上；电源的正极和负极分别与上述喷头系统的微喷头和载物台连接；通过三维工作台三轴之间的相对运动，实现了喷头系统和打印基底X、Y、Z三个方向的相对运动。

5.如权利要求4所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，所述载物台为金属材质的真空吸盘，并通过真空负压实现对打印基底的固定。

6.如权利要求4所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，所述多材料微尺度3D打印装置的打印材料为溶液或悬浊液，包括有机材料、无机材料、导电材料、生物材料、纳米材料或有纳米粒子的复合材料。

7.如权利要求4所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，在所述载物台上设置一废液收集器皿，并通过真空吸盘固定，通过微注射泵将不同材料或不同比例材料混合切换时所产生的少量交叉混合材料通过微喷头排向废液收集器皿。

8.如权利要求1所述的多材料微尺度3D打印装置，其特征在于，在所述喷头系统的微喷头附近设置显微摄像系统，监控实际电喷印过程，以及喷印过程图形的对准。

9.利用权利要求1-8任一所述的多材料微尺度3D打印装置进行打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将打印基底固定在载物台上，调整微喷头出口与打印基底之间的工作距离，各路微量注射泵通过供料管路将多种材料输送进入喷头系统的微混合装置，多种材料经过被动微混合器的特殊流道结构后被充分混合，混合后的流体在微注射泵提供的进液压力及微喷头与载物台之间的电场作用下自微喷头处喷出，在基底表面进行打印；

当需要变换打印材料或混合材料的混合比例时，喷头系统切换至废液收集处，通过微量注射泵的液压将两种材料之间的交叉混合流体排尽，直至喷头处流出稳定的新材料为止。当需要改变微尺度结构件的尺寸时，通过改变微喷头与打印基底距离、微喷头与载物台之间的电压实现。

10.如权利要求9所述的打印方法，其特征在于，所述的微喷头与打印基底间的工作距离为0.01-3毫米；

微喷头和载物台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率为10Hz-1000Hz，输出波形为方形；

微混合装置选择使用可多比例连续混合高粘度差溶液的被动微混合器。