CN109129821A - 一种电喷射三维打印原位热处理装置 - Google Patents

一种电喷射三维打印原位热处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，一种电喷射三维打印原位热处理装置。原位电喷射打印模块实现墨水在电流体动力效应下喷射出稳定的精细射流，形成打印层，通过按轨迹运动打印基体至所需形状。原位加热模块在原位对打印层进行快速高温热处理，使液态打印层在原位固化，并去除有机溶剂和应力。原位冷却模块在原位快速将打印平板降温至室温，以实现在固化的打印层上进行下一层的电喷射打印。通过在原位逐层进行电喷射打印和原位热处理的方式，实现微纳米尺度三维结构的逐层打印制造。本发明免除移位热处理工艺步骤，避免移位热处理过程中再次对位的精度误差，直接原位高精度三维微纳结构打印制造，简化工艺步骤，提高打印效率和质量，降低加工成本。

Description

一种电喷射三维打印原位热处理装置
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种电喷射三维打印原位热处理装置。
背景技术
电喷射三维打印技术是利用液态流体的电流体动力学效应，电喷射形成微纳米尺度射流，并在基体上形成打印层，通过按预定轨迹运动，可以在基体上打印各种形状，通过层层打印的方式可以制造三维微结构。该技术具有分辨率高、可控性强、材料适应性广等优点，在微机电系统、精密器件等领域具有广阔应用前景。
电喷射打印所用的流体材料往往是液态流体，然而，由于流体的流动特性，通过层层堆积方式无法直接成型三维结构。因此，每完成一层电喷射打印后，需要对打印层高温加热使其固化，以保证下一打印层顺利打印，层层打印直至三维结构成型。此外，高温热处理还能去除打印层内部的有机溶剂和应力，可以提高打印层的致密性。目前采用的高温热处理的方法大都是将基体移位至加热台，待其完成高温热处理后再放回原位继续进行打印的方式，然而，这种移位加热方式存在对位不精确的问题，导致下一层打印位置偏离原位置，降低了电喷射打印制造三维微结构的精确性，而且整个对位过程消耗大量时间，影响了打印效率。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，发明了一种电喷射三维打印原位热处理装置。每完成一层电喷射打印后，在原位对打印层进行快速高温热处理，使打印层固化，并同时去除有机溶剂和应力。然后，在原位进行快速降温，以实现下一层的电喷射打印。通过逐层进行电喷射打印和原位热处理，实现微纳米尺度三维结构。本发明免除移位热处理工艺步骤，避免了移位过程的对准精度误差，可以实现高精度三维微纳结构打印制造，并简化了工艺步骤，可以提高打印效率和降低加工成本。
本发明的技术方案：
一种电喷射三维打印原位热处理装置，包括电喷射打印模块、原位加热模块和原位冷却模块；
所述的电喷射打印模块包括PC上位机1、CCD相机2、高压电源3、微量注射泵4、精密注射器5、导管6、喷针7、X/Y/Z轴运动平台9和打印平板14；精密注射器5安装在微量注射泵4上，内部装有“液体墨水”，微量注射泵4按照一定的流量，精确推动精密注射器5进给；喷针7通过导管6与精密注射器5相连接，使“液体墨水”流至喷针7出口处；高压电源3正极输出端与喷针7相连，负极与打印平板14相连接，在喷针7和打印平板14之间形成稳定电场；“液体墨水”在微量注射泵4的推动下从喷针7流出，同时，在电场的作用下，在喷针7口处形成稳定的泰勒锥，喷射出稳定的精细射流，并在基体上形成打印层；X/Y轴组合形成各种运动路径并带动打印基体一起运动，Z轴调节喷针7和平台板14之间的高度，以满足各种打印需求；CCD相机2通过USB连接线与PC上位机1相连接，检测打印区域内的泰勒锥的稳定性以及打印基体的运动路径；
所述的原位加热模块包括固定绝缘柱11、支撑框12、原位加热元件13、打印平板14、温度传感器15和温控器19；原位加热模块安装在运动平台9上，打印平板14为方形薄金属板，原位加热元件13通过耐高温胶粘贴在打印平板14下表面；支撑框12为方形薄块材，中间为方形镂空；打印平板14与支撑框12保持一定间隙，以保证加热元件13仅对打印平板14加热，而不影响装置的其他部件；打印平板14通过螺钉固定在支撑框12上，支撑框12通过螺钉连接在固定绝缘柱11，固定绝缘柱11为耐高温聚酰亚胺材质，既保证绝缘又耐高温；温度传感器15安装在打印平板14上，检测打印平板14的温度，并实时反馈至温控器19；温控器19由PC上位机1控制并用于监测、调节原位加热模块的温度；
所述的原位冷却模块包括原位冷却风扇A10、原位冷却风扇B16、制冷装置18、温度传感器15和温控器19；原位冷却风扇A10放置于支撑框12下方，与打印平板14保持一定距离，对打印平板14进行常温风冷；原位冷却风扇B16放置于打印平板14的侧面，安装在制冷装置18出口处，从侧面对打印平板14进行低温风冷；温度传感器15安装在打印平板14上，实时检测打印平板14的温度，并反馈至温控器19；温控器19由PC上位机1控制，实时监控并调节原位冷却模块温度变化。
本发明的有益效果：
本发明避免了移位热处理工艺中存在的对位不精确的问题，实现了高精度三维微纳结构打印制造，同时，也保证了打印层的致密性。
本发明升温速率快，20°-200°(约50s)、200°-400°(约1min30s)。降温速率快，400°-20°(约2min40s)。且温度工作范围较宽，可从20°快速升温至500°，提高了对打印层热处理的效率。
本发明免除移位热处理工艺步骤，简化了三维打印工艺，可以提高打印效率和降低加工成本。
附图说明
图1为电喷射三维打印制造装置三维示意图；
图2为原位热处理装置三维示意图；
图中：1PC上位机；2CCD检测相机；3高压电源；4微量注射泵；5精密注射器；6导管；7喷针；8快速热处理装置；9运动平台；10原位冷却风扇A；11固定绝缘柱；12支撑框；13原位加热元件；14打印平板；15温度传感器；16原位冷却风扇B；17冷气箱；18制冷装置；19温控器。
具体实施方式
结合技术方案和附图对本发明进一步说明，实施例的电喷射三维打印原位热处理装置包括电喷射打印模块、原位加热模块、原位冷却模块等。
所述精密注射器5安装在微量注射泵4上，内部装有氧化铝悬浮液。所述喷针7内径为300μm，通过导管6与精密注射器5相连接。所述微量注射泵4按照20μL/min的流量精确推动精密注射器5进给。所述调节高压电源3的输出电压为1500V，在喷针7和打印平板14之间形成稳定电场。所述打印平板14随X/Y轴平台一起实现各种形状轨迹的运动。
所述打印平板14为方形薄金属板，所述原位加热元件13通过耐高温胶粘贴在平台板下表面。所述支撑框12为方形薄块材，中间为方形镂空。所述打印平板14通过螺钉固定在支撑框12上，支撑框12通过螺钉连接在固定绝缘柱11，所述固定绝缘柱11为耐高温聚酰亚胺材质，既可以保证绝缘又比较耐高温。
所述冷却风扇A 10放置于支撑框12下方，所述冷却风扇B 16放置于打印平板14的侧面，安装在制冷装置18出口处。所述温度传感器15安装在打印平板14上，可以实时检测打印平板的温度，并反馈至温控器19。温控器19由PC上位机1控制，实时监控并调节原位冷却模块温度变化。
采用上述装置进行电喷射三维打印原位热处理的方法包括以下具体实施步骤:
1)电喷射打印射流形成
高压电源3在喷针7和打印平板14施加1500V电压，选用氧化铝悬浮液作为“液体墨水”，精密注射器5在微量注射泵4的推动下，使氧化铝悬浮液通过导管6流至喷针7出口，流量约为20μL/min，调节喷针7和基体之间的高度约400μm。氧化铝悬浮液在电场力、重力等复合力的作用下在喷针口处形成泰勒锥，产生稳定的精细射流，并打印基在基体上。PC上位机1控制运动平台9带动打印平板14按照预定轨迹运动，使精细射流在基体上打印出规定的形状。
2)原位热处理固化成型
PC上位机1检测到该层氧化铝悬浮液电喷射打印完成后，自动控制温控器19启动原位热处理模块，在原位对打印层进行快速高温热处理。温控器19控制原位加热元件13对打印平板14进行阶梯升温热处理，打印平板14先快速升温至250°，保温热处理1min。之后，再次升温至300°左右，保温热处理1min，在原位完成对打印层热处理，使打印层固化，并同时去除内部的有机溶剂和应力，为下一层电喷射打印提供条件。
3)原位快速冷却降温
原位高温热处理完成后，温控器19自动启动原位冷却降温模块对打印平板14风冷降温。原位冷却风扇A 10启动，并从下方向打印平板14常温风冷降温，原位冷却风扇B 16安装在制冷装置18出口处，从侧面对打印平板14冷风降温。待打印平板14恢复室温后，PC上位机1控制温控器19关闭整个原位热处理装置，并启动电喷射打印模块，在固化的打印层上进行再次打印。电喷射打印、原位热处理、原位冷却如此循环直至打印成型三维微结构。
一种电喷射三维打印原位热处理的方法，利用电流体动力学效应，电喷射出纳米级的精细射流，通过按预定轨迹运动打印基体可以打印出所需形状。每完成一层电喷射打印后，在原位对打印层进行快速高温热处理，使打印层固化，并同时去除有机溶剂和应力。之后，在原位对打印层进行快速降温，以实现下一层的电喷射打印。通过逐层进行电喷射打印和原位热处理的方式，实现微纳米尺度三维结构。本发明免除移位热处理工艺步骤，避免了移位过程的对准精度误差，可以实现高精度三维微纳结构打印制造，并简化了工艺步骤，可以提高打印效率和降低加工成本。

Claims (10)

1.一种电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的电喷射三维打印原位热处理装置包括电喷射打印模块、原位加热模块和原位冷却模块；
所述的电喷射打印模块包括PC上位机(1)、CCD相机(2)、高压电源(3)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、导管(6)、喷针(7)、X/Y/Z轴运动平台(9)和打印平板(14)；精密注射器(5)安装在微量注射泵(4)上，内部装有“液体墨水”，微量注射泵(4)按照一定的流量，精确推动精密注射器(5)进给；喷针(7)通过导管(6)与精密注射器(5)相连接，使“液体墨水”流至喷针(7)出口处；高压电源(3)正极输出端与喷针(7)相连，负极与打印平板(14)相连接，在喷针(7)和打印平板(14)之间形成稳定电场；“液体墨水”在微量注射泵(4)的推动下从喷针(7)流出，同时，在电场的作用下，在喷针(7)口处形成稳定的泰勒锥，喷射出稳定的精细射流，并在基体上形成打印层；X/Y轴组合形成各种运动路径并带动打印基体一起运动，Z轴调节喷针(7)和打印平板(14)之间的高度，以满足各种打印需求；CCD相机(2)通过USB连接线与PC上位机(1)相连接，检测打印区域内的泰勒锥的稳定性以及打印基体的运动路径；
所述的原位加热模块包括固定绝缘柱(11)、支撑框(12)、原位加热元件(13)、打印平板(14)、温度传感器(15)和温控器(19)；原位加热模块安装在运动平台(9)上，打印平板(14)为方形薄金属板，原位加热元件(13)通过耐高温胶粘贴在打印平板(14)下表面；支撑框(12)为方形薄块材，中间为方形镂空；打印平板(14)与支撑框(12)保持一定间隙，以保证加热元件13仅对打印平板(14)加热，而不影响装置的其他部件；打印平板(14)通过螺钉固定在支撑框(12)上，支撑框(12)通过螺钉连接在固定绝缘柱(11)；温度传感器(15)安装在打印平板(14)上，检测打印平板(14)的温度，并实时反馈至温控器(19)；温控器(19)由PC上位机(1)控制并用于监测、调节原位加热模块的温度；
所述的原位冷却模块包括原位冷却风扇A(10)、原位冷却风扇B(16)、制冷装置(18)、温度传感器(15)和温控器(19)；原位冷却风扇A(10)0放置于支撑框(12)下方，与打印平板(14)保持一定距离，对打印平板(14)进行常温风冷；冷却风扇B 16放置于打印平板(14)的侧面，安装在制冷装置(18)出口处，从侧面对打印平板(14)进行低温风冷；温度传感器(15)安装在打印平板(14)上，实时检测打印平板(14)的温度，并反馈至温控器(19)；温控器(19)由PC上位机(1)控制，实时监控并调节原位冷却模块温度变化。
2.根据权利要求1所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的原位加热元件(13)的温度调节范围为室温-500°。
3.根据权利要求1或2所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的固定绝缘柱(11)为为耐高温聚酰亚胺材质，既保证绝缘又耐高温。
4.根据权利要求1或2所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的高压电源(3)的电压输出范围为0-2KV。
5.根据权利要求3所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的高压电源(3)的电压输出范围为0-2KV。
6.根据权利要求1、2或5所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的制冷装置(18)为半导体制冷片，其功率为48W。
7.根据权利要求3所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的制冷装置(18)为半导体制冷片，其功率为48W。
8.根据权利要求4所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的制冷装置(18)为半导体制冷片，其功率为48W。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的原位冷却风扇A(10)、原位冷却风扇B(16)为工业小风扇，其工作电压为220V，其功率为13W，转速为2550-3000r/min。
10.根据权利要求6所述的电喷射三维打印原位热处理装置，其特征在于，所述的原位冷却风扇A(10)、原位冷却风扇B(16)为工业小风扇，其工作电压为220V，其功率为13W，转速为2550-3000r/min。
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