CN107214945B - 一种电场驱动喷射沉积3d打印装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法，其突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、分辨率等方面的限制，尤其是结合多喷头技术，能够实现多尺度多材料结构一体化3D打印，其技术方案为：包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，接收衬底吸附设置于打印平台上，所述接收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；所述喷射单元包括电场生成电极和打印喷头，所述打印喷头设置于电场生成电极所形成的电场区域；所述电场生成电极与高压脉冲电源正极连接，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接。
Description
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，目前国际上已经提出多种材料喷射沉积3D打印技术，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，通常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大于20微米)，尤其是还难以实现宏/微跨尺度制造，以及难以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，当局部电荷斥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。
与其它材料喷射沉积3D打印技术相比，尽管电流体动力喷射3D打印在诸多方面具有非常显著和突出的优势。但是，由于电流体动力喷射3D打印仍然存在诸多的不足和局限性，面临着一些难以解决的问题，主要包括：(1)喷嘴材料受限，电喷印要求喷嘴具有导电性(其作为第一电极)，无法使用非导电喷嘴；(2)接收衬底(基材)材料受限，接收衬底(基材)作为第二电极，通常要求衬底具有导电性，在非导电衬底上打印时面临诸多限制，需要一些特殊处理；(3)成形件(打印件)打印高度受限制，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。这是因为电喷印形成稳定锥射流的电场力会随着导电衬底和导电喷头之间的距离增大而减弱，当超过一定高度(～3mm)后，电场力不足以维持稳定锥射流的产生，无法实现继续打印。同时随着打印高度不断提升和变化，需要不断调整参数来提高电场力以保证稳定锥射流来实现打印，这在实际打印过程中是难以实现的，因此电喷印无法真正实现宏/微跨尺度制造；(4)打印材料受限，电喷印工作过程中导电喷嘴上需要施加很高的高压，某些细胞或者生物活性组织材料的打印受限。此外，一些金属材料或者导电性非常好的材料打印过程中容易产生短路放电现象，打印过程稳定性差，因此，电喷印在生物材料和金属材料打印方面面临很大的限制；(5)打印稳定性差。如果打印材料导电性较好(或者为金属材料)，由于距离导电衬底距离很近，容易短路和火花放电，无法继续打印。此外，非导电材料打印到导电衬底上，将引起电场的变化，影响打印精度和稳定性；(6)对于衬底的形貌和平整度要求高，为保证电场稳定，电喷印通常只能在水平导电衬底上方一定高度内进行，既无法在已有实物(超过3mm)表面打印，也无法在非平整、曲面等衬底上打印，限制了在许多方面的应用；(7)打印宏尺度结构和大尺寸零件时，效率低。因此，电流体动力喷射3D打印在打印材料、喷嘴、接收衬底、成形件高度、打印稳定性、共性打印能力等方面存在诸多问题和限制，尤其是难以实现宏微尺度结构一体化打印，也无法实现多材料多尺度3D打印。
因此，现有材料喷射沉积3D打印技术在打印材料、分辨率、接收衬底(基材)等存在诸多的不足和局限性，尤其是现有的工艺都还无法实现多尺度多材料一体化3D打印，这些问题已经严重影响和制约了这些技术性能的提高，以及更广泛的工业化应用。亟待需要开发新型材料喷射沉积3D打印技术，提高材料喷射沉积3D打印技术的打印精度、稳定性和工艺普适性(打印材料、接收衬底等)，尤其是实现多材料多尺度3D打印，解决多材料跨尺度复杂三维结构低成本制造的难题。
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喷射沉积3D打印装置，突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、分辨率等方面的限制，尤其是结合多喷头技术，能够实现多尺度多材料结构一体化3D打印。
本发明具体的实现方案：(1)采用一种新的电场生成方式，即提取电极作为电场正极与高压脉冲电源正极相连，不再需要接地的对电极。无论接收衬底是何种材质，当提取电极靠近接收衬底时，都会使衬底表面带负电荷，提取电极与接收衬底之间形成稳定电场，接收衬底材质不受限制。(2)通过引入提取电极作为电场正极，在提取电极和接收衬底间形成电场，合理控制打印层厚使提取电极与接收衬底或已打印实体距离恒定，确保两者之间形成稳定的电场，从而实现稳定的打印。并且电场力不会随打印高度的提高而改变，克服电喷印等工艺导电衬底作为负极接地时打印高度受限的问题。(3)引入微尺度和宏尺度两种打印模式，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。
进一步的，本发明采用下述技术方案：
一种电场驱动喷射沉积3D打印装置，包括二维工作台，二维工作台上设置打印平台，接收衬底吸附设置于打印平台上，所述接收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；
所述喷射单元包括电场生成电极和打印喷头，所述打印喷头设置于电场生成电极所形成的电场区域；
所述电场生成电极与高压脉冲电源正极连接，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接。
进一步的，所述电场生成电极为提取电极，所述提取电极中部设置通孔；所述喷嘴穿过通孔设置。提取电极采用平板电极，用于形成喷射所需电场，提取电极的材料具有优良的导电性，优先选用紫铜、铝、银等。提取电极的形状是圆形或者方形或者其他形状。
所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-10KV，输出脉冲频率范围为0-5000HZ。优先选用直流高压电源和高压脉冲电源组合的方案，其中直流高压电源的电压范围为0-7KV，高压脉冲电源的电压范围为0-3KV。
进一步的，所述喷嘴中心和通孔中心同心。保证喷嘴处于提取电极所产生的电场区域内。
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，所述打印材料供给单元包括精密注射泵，精密注射泵与储料筒连接。
进一步的，所述Z向工作台上还固定有UV固化组件，所述UV固化组件对应设置于喷嘴一侧。当打印材料为光固化材料时，设置的UV固化组件可以实现液态打印材料快速固化。
进一步的，所述打印平台内设置电加热装置。当打印材料为热固化材料时，设置的电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现液态打印材料快速固化。
优选的，所述喷射单元设置有三个，每一喷射单元的打印喷头均与一打印材料供给单元连接。每一喷射单元设置不同的打印材料，可以实现多材料多尺度结构一体化打印。
上述电场驱动喷射沉积3D打印装置的工作原理为：压缩空气经精密调压阀调压后推送储料筒中的液体达到喷嘴位置，由于在提取电极上施加脉冲高压电，提取电极与接收衬底或者已完成实体之间形成电场，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。打印过程中，打印材料供给单元及时补充消耗的打印材料。
一种电场驱动喷射沉积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，使打印喷头距接收衬底设定距离，调节电场生成电极与喷嘴下端的距离；
步骤2：开始打印工作，电场生成电极和接收衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至接收衬底表面，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，取下接收衬底和成形零件。
由于本发明打印材料没有限制，包括诸如溶液、熔体、悬浮液、胶体等；有机材料、无机材料、导电材料、非导电材料、生物材料材料、高分子材料、金属材料、陶瓷材料等。利用本发明电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法，并结合使用多个打印喷头，每个打印喷头内放置不同的打印材料，诸如成形件结构材料、支撑材料、导电材料、功能材料等，能够实现多材料多尺度3D打印。实现“结构-材料-性能-器件”一体化制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)喷嘴材料没有限制，适用于导电和非导电喷嘴，克服电喷印3D打印必须使用导电喷嘴的限制。尤其是能够使用陶瓷等耐高温喷嘴，实现金属等材料的打印。
(2)接收衬底材料没有限制，适用于导电和非导电(甚至绝缘)衬底，克服电喷印3D打印通常要求衬底具有导电的限制。
(3)可打印高度没有限制。结合衬底材质不受限制的优势，能够在任意高度实体表面上打印。突破了电喷印3D打印成形件高度的限制(一般限定在3毫米以下)，真正能够实现宏/微跨尺度制造。
(4)打印材料广泛，几乎能够转化为“墨水”形式的材料都可以适用，尤其能够实现细胞和生物活性组织材料的打印。克服了电喷印3D打印导电喷嘴直接连接高压电源，不适合活性生物材料的打印问题。
(5)打印过程稳定性和可靠性高。喷嘴处不接电，打印材料与正极不直接接触，只通过极化作用产生少量电荷，降低带电液滴积累对电场的影响，并且打印高导电性材料时不会出现放电现象。
(6)喷嘴位于电场生成电极下方，有利于缩短喷嘴与目标衬底的距离，降低射流分散对打印精度的影响，并且能显著减少卫星液滴的产生，提高打印的精度和稳定性。
(7)适用于非平整表面、曲面的打印，尤其是能够实现共形衬底的打印。
(8)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。
(9)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。
(10)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。
(11)喷射单元可移植性强，作为一独立模块可以移植到任何三轴工作台上进行打印。
(12)能够实现极高粘度材料的打印。
(13)操作简单，成本低。
(14)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。
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电场驱动喷射沉积3D打印装置结构示意图。
图2是本发明实施例1电场生成结构局部放大图。
图3是本发明实施例2基于UV固化的电场驱动喷射沉积3D打印装置的结构示意图。
图4是本发明实施例3结合多喷头的电场驱动喷射沉积3D打印装置结构示意图。
图中，1 X-Y工作台，2 打印平台，3 接收衬底，4 提取电极，401 圆形通孔，5 电极固定架，6 喷嘴，7 高压脉冲电源，8 Z向工作台，9 喷头固定架，10 储料筒，11 精密调压阀，1101 第一端，1102 第二端，12 精密注射泵，13 UV固化灯，14 UV灯固定架，15 机架，16精密注射泵Ⅰ，17 Z向工作台Ⅰ，18 喷射单元Ⅰ，19 精密注射泵Ⅱ，20 Z向工作台Ⅱ，21 喷射单元Ⅱ，22 精密注射泵Ⅲ，23 Z向工作台Ⅲ，24 喷射单元Ⅲ。
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，针对现有材料喷射沉积3D打印技术存在的不足和局限性，尤其是还无法实现多尺度多材料3D打印，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电场驱动喷射沉积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喷射沉积3D打印装置结构示意图，它包括：X-Y工作台1(即二维工作台)，打印平台2，接收衬底3(基材或者基底)，提取电极4(即为电场生成电极)，电极固定架5，喷嘴6，高压脉冲电源7，Z向工作台8，喷头固定架9，储料筒10，精密调压阀11，精密注射泵12。其中喷嘴6和储料筒10组成打印喷头，提取电极4、电极固定架5、打印喷头、喷头固定架9组成喷射单元。打印平台2置于X-Y工作台1之上；接收衬底3置于打印平台2之上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在打印平台2上。喷射单元与Z向工作台8相连接，并置于打印平台2的正上方。提取电极4通过电极固定架5安装在喷头固定架9上，并与高压脉冲电源7的正极相连。喷嘴6安装在储料筒10下端并穿过提取电极4的中心圆形通孔401。打印喷头通过喷头固定架9安装在Z向工作台8上。精密调压阀11(背压控制单元)第一端1101与压缩空气相连接，第二端1102与打印喷头的储料筒1001相连接。精密注射泵12(打印材料供给单元)与打印喷头的储料筒10相连接。
X-Y工作台1采用高速和高精度位移台，优先选用直线电机驱动、伺服电机驱动、高精度步进电机驱动的方案。X-Y工作台的移动速度1-600mm/s，重复定位精度高不低于5微米。Z向工作台8是高精度Z向位移台，优先选用高精度纳米级压电位移台、超高精度伺服电机位移台等，定位精度不低于0.5微米。本实施例中X-Y工作台1采用高精度直线滑台，工作行程200毫米，重复定位精度不低于0.4微米；Z向工作台8采用高精度纳米级压电位移台，定位精度为0.1微米。
固化单元用于液态打印材料的快速固化，针对不同类型打印材料选择不同的固化装置。当打印材料为热固化材料时，可在打印平台上增加电加热辅助装置。电加热装置为电加热棒或者电加热片，电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现液态打印材料快速固化。本实施例中在打印平台2内包含电加热片，加热温度范围0-200摄氏度，通过对打印材料进行加热，实现打印材料快速固化。
接收衬底3可以根据需要选用任意材质，例如铝板、硅片、玻璃等。若要在已有实物表面进行打印，可将实物固定于打印平台上再打印。本实施例中接收衬底3为厚度10毫米平整的铝板。尺寸120x120毫米。
提取电极4为平板型电极，其中心设置有圆形通孔401，提取电极4用于形成喷射所需电场，提取电极4的材料具有优良的导电性，优先选用紫铜、铝、银等，本实施例中提取电极4的材料选用紫铜片。提取电极4的形状是圆形或者方形或者其他形状，中心设置有圆形通孔401，其外径1-50毫米，中心圆形通孔的直径0.1-10毫米，平板电极的厚度1-500微米。本实施例中，提取电极4的形状是圆形，中心设置有圆形通孔401，其外径20毫米，中心圆形401通孔直径8毫米，平板电极的厚度200微米。
提取电极4通过电极固定架5安装在喷头固定架9上，提取电极4上下位置可调，使得打印喷头的喷嘴穿过提取电极并伸出一定长度(0.1-3mm)，保证喷嘴与提取电极同心。
提取电极4与高压脉冲电源7正极相连。提取电极在打印过程中，保持与目标打印位置距离恒定。打印第一层时，目标打印位置为接收衬底，从第二层开始以已完成实体表面为目标打印位置。
喷嘴可以选用任意材质，例如不锈钢、塑料、陶瓷等，喷嘴内径尺寸1-1000微米，本实施例中喷嘴6采用不锈钢针头，规格为25G，其内径为0.26mm，外径为0.5mm，安装在储料筒10最下端，储料筒优先选用具有加热功能的储料装置。喷嘴6与提取电极4上的圆形通孔401同心，通过调整电极固定架5上下位置，使喷嘴6最下端穿过提取电极4并伸出2mm。
高压脉冲电源7输出脉冲电压范围为0-5KV，输出脉冲频率范围为0-1000HZ。
精密调压阀11第一端1101与压缩空气相连接，第二端1102通过气路与打印喷头20的储料筒10相连接，气路上可设置开关控制阀，精密调压阀11调压范围为0-5bar。
精密注射泵12通过供料管路与打印喷头的储料筒10连接，在打印过程中向喷头内及时补充打印材料。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动喷射沉积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，使固定在Z向工作台上打印喷头喷嘴的最下端移动到距离接收衬底的预先设置的高度，调节好提取电极到喷嘴最下端距离；根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，设置好高压脉冲电源、精密调压阀、精密注射泵所需参数。
步骤2：开启高压脉冲电源、精密调压阀(背压控制单元)、精密注射泵(打印材料供给单元)、固化单元。在背压的作用下，储料筒中的液体达到喷嘴位置，形成半月形的弯液面，在提取电极上施加脉冲高压，提取电极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。
步骤3：零件的一层截面成形完成后，关闭高压脉冲电源、精密调压阀、精密调压阀、固化单元等，暂停喷射并通过Z向工作台控制打印喷头上升一个截面的高度。开启高压脉冲电源、精密调压阀、精密调压阀、固化单元等，以第一层实体作为接收衬底,，结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的液体固化沉积在第一层实体上，打印完成零件的第二层截面轮廓。如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体。打印过程中精密注射泵及时补充消耗的打印材料。
步骤4：关闭高压脉冲电源、精密调压阀、精密注射泵、固化单元等，X-Y工作台、Z向工作台回到原始工位，从打印平台上取下接收衬底和成形零件。
由于本发明打印材料没有限制，包括诸如溶液、熔体、悬浮液、胶体等；有机材料、无机材料、导电材料、非导电材料、生物材料材料、高分子材料、金属材料、陶瓷材料等。利用本发明电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法，并结合使用多个打印喷头，每个打印喷头内放置不同的打印材料，诸如成形件结构材料、支撑材料、导电材料、功能材料等，能够实现多材料多尺度3D打印。实现“结构-材料-性能-器件”一体化制造。
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。
选用液态热固化材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)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，使固定在Z向工作台8上打印喷头喷嘴6的最下端移动到距离接收衬底3的预先设置的高度，按设定调节提取电极4到喷嘴6最下端距离；根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，设置好高压脉冲电源7、精密调压阀11、精密注射泵12所需参数，并开启打印平台2加热装置。
步骤2：开启高压脉冲电源7、精密调压阀11、精密注射泵12。在背压的作用下，储料筒10中的液体自喷嘴6喷出，形成半月形的液面，在提取电极4上施加脉冲高压，提取电极4与接收衬底3之间形成电场，诱导电荷在喷嘴6处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴6处液体形成泰勒锥，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接收衬底3上，形成零件的截面轮廓。
步骤3：零件的一层截面成形完成后，关闭高压脉冲电源7、精密调压阀11、精密注射泵12，暂停喷射并通过Z向工作台8控制打印喷头上升一个截面的高度。开启高压脉冲电源7、精密调压阀11、精密注射泵12，以第一层实体作为接收衬底，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第一层实体上，打印完成零件的第二层截面轮廓。如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体。打印过程中精密注射泵12及时补充消耗的打印材料。
步骤4：关闭高压脉冲电源7、精密调压阀11、精密注射泵12、打印平台2加热装置等，X-Y工作台1、Z向工作台8回到原始工位，从打印平台2上取下接收衬底3和成形零件。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动喷射沉积3D打印装置，当打印材料为光固化材料时，可在打印喷头一侧或者两侧安装UV固化装置；本实施例中在打印喷头左侧安装UV固化装置。UV固化装置为紫外LED模组或者紫外LED灯珠，固定在喷头固定架上，聚焦后的光斑照射目标打印位置，实现液态打印材料快速固化。如图3所示，UV固化灯13通过UV灯固定架14安装在喷头固定架9一侧。UV固化灯13发出的聚焦光斑对准所述喷嘴6正下方目标打印位置，聚焦光斑大小为2mm，波长与光固化材料固化所需波长相同。打印过程中，打印喷头与UV固化装置位置固定不动，聚焦光斑始终对准液滴喷射沉积位置，从而使光固化材料快速固化。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动喷射沉积3D打印装置，在实施例2的基础上，结合多喷头技术，将喷射单元的数量由一个扩展为三个，分别对应不同的打印材料，可以实现多材料多尺度结构一体化打印。如图4所示，电场驱动喷射沉积3D打印装置主要包括：X-Y工作台1，打印平台2，接收衬底3，高压脉冲电源7，精密调压阀11，机架15，精密注射泵Ⅰ16，Z向工作台Ⅰ17，喷射单元Ⅰ18，精密注射泵Ⅱ19，Z向工作台Ⅱ20，喷射单元Ⅱ21，精密注射泵Ⅲ22，Z向工作台Ⅲ23，喷射单元Ⅲ24。装置整体采用龙门架结构，Z向工作台I 17、Z向工作台Ⅱ20、Z向工作台Ⅲ23固定在机架15的横梁上。每个喷射单元均由提取电极、电极固定架、打印喷头、喷头固定架组成。
喷射单元Ⅰ18安装在Z向工作台Ⅰ17上，打印材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，通过精密注射泵Ⅰ16向打印喷头内供给打印材料。
喷射单元Ⅱ21安装在Z向工作台Ⅱ20上，打印材料为液态光敏树脂，通过精密注射泵Ⅱ19向打印喷头内供给打印材料。
喷射单元Ⅲ24安装在Z向工作台Ⅲ23上。打印材料为导电银浆，通过精密注射泵Ⅲ22向打印喷头内供给打印材料。
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、精密调压阀、精密注射泵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 (9)
1.一种电场驱动喷射沉积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平台，接收衬底吸附设置于打印平台上，所述接收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；
所述喷射单元包括电场生成电极和打印喷头，所述打印喷头设置于电场生成电极所形成的电场区域；
所述电场生成电极与高压脉冲电源正极连接，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接；
所述电场生成电极为提取电极，所述提取电极中部设置通孔；所述喷嘴穿过通孔设置。
2.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0-10KV，输出脉冲频率范围为0-5000HZ。
3.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述喷嘴中心和通孔中心同心。
4.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。
5.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印材料供给单元包括精密注射泵，精密注射泵与储料筒连接。
6.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述Z向工作台上还固定有UV固化组件，所述UV固化组件对应设置于喷嘴一侧。
7.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印平台内设置电加热装置。
8.如权利要求1或6所述的打印装置，其特征是，所述喷射单元设置有三个，每一喷射单元的打印喷头均与一打印材料供给单元连接。
9.如权利要求1-8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，使打印喷头距接收衬底设定距离，调节电场生成电极与喷嘴下端的距离；
步骤2：开始打印工作，电场生成电极和接受衬底之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至接收衬底表面，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向工作天移动至原始工位，取下接收衬底和成形零件。
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- 2017-06-30 CN CN201710528176.8A patent/CN107214945B/zh active Active
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