CN109228305B - 一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法 - Google Patents

一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，功能材料溶液以恒定流速送至喷针内，利用施加在喷针上的电场力将功能材料溶液剪切形成远小于喷针尺寸的微/纳米级稳定射流，并打印出微/纳结构，同时利用诱导电极产生的空间电场力调控此结构，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，最终得到复杂微/纳三维结构。本发明提出的一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法制造复杂微/纳三维结构，具有空间三维结构自由成型、打印分辨率高、成型速度快等优势，利用此方法得到的复杂微/纳三维结构，线宽可为几十纳米，打印制造出的复杂微/纳三维结构可广泛用于电子、信息、能源等领域。

Description

一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法。
背景技术
随着器件性能和集成度的提高，器件的功能结构逐渐从二维结构发展为三维结构。例如，基于悬臂梁结构的三维微机电系统提供了比二维系统更大的带宽和可调性频率；微型光电子器件与宏观光电器件相比，不仅体积小、重量轻，而且功耗低。所以，微/纳三维结构对于高性能器件的小型化、集成化、节能起到了重要作用。此外，微/纳三维结构作为高性能器件的传感单元，已应用于可穿戴电子设备、高灵敏度传感器、高分辨率显示器、大容量电容器等高性能器件。
目前，微/纳三维结构的加工方法主要有聚焦离子束、微立体光刻、电化学沉积。其中，聚焦离子束技术通常涉及复杂的工艺步骤，加工周期长且设备昂贵，此外，高能离子束会对结构表面造成损伤，进而影响结构表面质量。微立体光刻技术成本低、效率高，但可加工的材料有限(多为液态光敏树脂、陶瓷等)，制造结构分辨率低且加工过程需借助支撑结构。电化学沉积可以批量生产复杂高深宽比的金属结构，但制造结构为微米尺度，并且层间结合强度较低、层间易存在错位。近年来发展的三维打印技术，如喷墨打印、三维直写等，具有加工周期短、成本低等特点，为微/纳三维结构制造提供了有效途径。目前三维打印技术主要采用层层直写，逐层累加成三维结构，难以制造复杂三维结构。此外，目前三维打印技术的分辨率主要依靠喷孔尺寸，受限于喷孔加工，难以实现亚微米及以下结构的加工。
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，提供一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法。利用电喷射打印技术制造出微/纳结构，同时在打印的微/纳结构上施加电场力，诱导成型三维微/纳结构，实现微/纳尺度结构的空间自由制造，制造具有复杂形状的微/纳三维结构。
本发明的技术方案：
一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，所用的三维打印装置包括电喷射打印模块和电场诱导成型模块；电喷射打印模块将功能材料溶液以恒定流速送至喷针内，利用施加在喷针上的电场力将功能材料溶液剪切形成远小于喷针尺寸的微/纳米级稳定射流，并打印出微/纳结构；电场诱导成型模块利用诱导电极产生的空间电场力调控此结构，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，得到复杂微/纳三维结构；
所述的电喷射打印模块包括精密注射泵1、精密注射器2、功能材料溶液3、导管4、喷针夹具5、喷针6、相机7、上位机8、运动控制器9、运动平台10、打印基板11、衬底12、微/纳结构13、高压电源控制器16和射流17；所述的精密注射器2固定于精密注射泵1上，通过导管4在精密注射泵1的推力下，精密注射器2内的功能材料溶液3被输送至喷针6喷口处；所述的喷针夹具5固定在Z轴上用于夹持喷针6；所述的相机7将打印过程中的射流行为在上位机8的监控软件中实时呈现，根据反馈的射流行为及时调节打印参数，以保证打印稳定性；所述的运动控制器9接受上位机8中运动控制命令，包括打印结构运动路径、速度等；所述的运动平台10包含XYZ运动轴，实现XYZ三个方向运动，X轴固定在Y轴上方，两轴配合实现XY平面内运动，Z轴位于XY轴上方，实现垂直方向运动；所述的衬底12放置于打印基板11上，打印基板11与衬底12相对静止，配合Z轴方向的运动，在衬底12上打印微/纳结构13；所述的打印基板11接地；所述的高压电源控制器16向喷针6提供高电压，在喷针6和打印基板11之间存在电势差，形成电场力，功能材料溶液3在喷针6喷口处受电场力的作用被拖拽成远小于喷孔尺寸的微/纳米级稳定射流17，并在衬底12上不断打印，形成微/纳结构13；所述的喷针6可通过Z轴的运动调节垂直高度。
所述的电场诱导成型模块包括诱导电极和电极电源18；所述的诱导电极布置在衬底12上或衬底12周围，通过上位机8控制；电极电源18向诱导电极提供电压，施加电压后的诱导电极产生空间分区电场，微/纳结构13受诱导电极电场力的作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构。
进一步，所述的电场诱导成型模块包括诱导电极夹具14、静态诱导电极15、电极电源18和动态诱导电极20；所述的静态诱导电极15固定在诱导电极夹具14上，所述的动态诱导电极20悬于衬底12上方，在打印过程中通过上位机8进行控制；电极电源18向静态诱导电极15、动态诱导电极20提供电压，施加电压后的静态诱导电极15和动态诱导电极20产生空间分区电场，微/纳结构13受静态诱导电极15电场力和动态诱导电极20电场力的协同作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构。
进一步，所述的静态诱导电极15和动态诱导电极20的电压可单独调整，每个诱导电极可产生不同的电场强度，产生不同大小的电场力。
进一步，所述的动态诱导电极20可在空间内自由运动。
进一步，所述的电场诱导的复杂微/纳三维结构受到诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构13的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置因素的共同影响。
具体步骤如下：
1)电喷射打印微/纳米结构：含有功能材料溶液3的精密注射器2安置在精密注射泵1上，利用精密注射泵1的推压力，通过导管4将功能材料溶液3以一定的流速送至喷针6内，在打印过程中，精密注射泵1调节功能材料溶液3的流量；喷针夹具5安装在Z轴上，喷针6固定在喷针夹具5上，通过Z轴的上下运动，调节喷针6与衬底12间的垂直距离；高压电源控制器16向喷针6施加高电压，此时，在喷针6与打印基板11之间存在电场力，功能材料溶液3在电场力、机械力、液体表面张力的共同作用下在喷针6喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微/纳米尺度射流，并在衬底12上形成微/纳结构13；
2)电场诱导成型三维结构：静态诱导电极15固定在诱导电极夹具14内，电极电源18向静态诱导电极15和动态诱导电极20施加电压，并形成空间诱导电场，处在这个电场内的微/纳结构13受到电场力的作用，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，形成三维复杂结构；所述的静态诱导电极15、动态诱导电极20与微/纳结构13在空间内存在一定的位置关系，将已打印的微/纳结构13放置在静态诱导电极15、动态诱导电极20共同形成的诱导电场内，微/纳结构13会受到空间不同方位的电场力，此时，经过静态诱导电极15、动态诱导电极20的协同作用，进而将微/纳结构13诱导为复杂微/纳三维结构，如螺旋微/纳结构19、伞形微/纳阵列结构21。所述的诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构13的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置等参数与预设复杂微/纳三维结构相关。所述的电场力大小与诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构13的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置等相关。所述的静态诱导电极15、动态诱导电极20的电压值可以独立调节；所述的动态诱导电极20可在空间内实现自由运动。
本发明的有益效果：采用一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法制造复杂微/纳三维结构，具有空间三维结构自由成型、打印分辨率高、成型速度快等优势，利用此方法得到的复杂微/纳三维结构，线宽可为几十纳米，打印制造出的复杂微/纳三维结构可广泛用于电子、信息、能源等领域。
附图说明
图1为一种电场诱导辅助电喷射的三维打印装置简图。
图2为微/纳结构与诱导电极的空间位置关系及受力示意图。
图3(a)为螺旋微/纳结构诱导成型过程简图；
图3(b)为动态诱导电极与微/纳阵列结构的位置关系简图；
图3(c)为伞形微/纳阵列结构诱导成型过程简图。
图中：1精密注射泵；2精密注射器；3功能材料溶液；4导管；5喷针夹具；6喷针；7相机；8上位机；9运动控制器；10运动平台；11打印基板；12衬底；13微/纳结构；14诱导电极夹具；15静态诱导电极；16高压电源控制器；17射流；18电极电源；19螺旋微/纳结构；20动态诱导电极；伞形微/纳阵列结构21。
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。实施例的一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法是利用一种电场诱导辅助电喷射的三维打印装置实现的，所述的装置主要包括电喷射打印模块和电场诱导成型模块。
所述的精密注射器2量程为25-1000μL，放置在精密注射泵1上，精密注射器2吸入银溶胶功能材料溶液3，通过导管4，在精密注射泵1的推力下，精密注射器2以0.01-5μLmin-1的流速将功能材料溶液3输送至喷针6喷口处；所述的喷针夹具5固定在Z轴上，用于夹持喷针6，喷针6为不锈钢或石英材质，内径尺寸为5-500μm；所述的相机7将打印过程中的射流行为在上位机8的监控软件中实时呈现，根据反馈的射流行为及时调节打印参数，以保证打印稳定性；所述的上位机8利用编写的运动控制软件向运动控制器9发送运动命令，包括打印微/纳结构13的三轴运动路径、运动速度等；所述的运动平台10包含XYZ运动轴，实现XYZ三个方向运动，运动速度范围0.001-100mm s-1，加(减)速度范围0.5-100mm s-2，定位精度优于2μm，X轴固定在Y-轴上方，两轴配合实现XY平面内运动，Z轴位于XY轴上方，实现垂直方向运动；衬底12放置于接地的打印基板11上，打印基板11与衬底12相对静止，配合Z轴方向的运动，可在衬底12上打印出直径为50nm-10μm、高度为200nm-3mm的微/纳结构13；所述的高压电源控制器16向喷针6提供400-5000V电压，在喷针6和接地的衬底12之间形成电场，在电场力的作用下，银溶胶功能材料溶液3被拖拽成尺寸为100nm-50μm的微/纳米级稳定射流17，并不断累积，最终形成微/纳结构13；所述的喷针6可通过Z轴调节垂直打印高度，调节最大范围为200mm，调节定位精度小于2μm。
所述的静态诱导电极15固定在诱导电极夹具14上，电极电源18向静态诱导电极15、动态诱导电极20提供电压，电压大小为200-8000V；施加电压后的诱导电极产生空间分区电场，微/纳结构13处在此电场中，受到静态诱导电极15、动态诱导电极20协同作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构，如将已打印的微/纳结构13放置在两个静态诱导电极15之间，再结合动态诱导电极20的协同作用，微纳/结构13会受到空间不同方位的电场力，进而被诱导为螺旋微/纳结构19；将阵列微/纳结构13放置在动态诱导电极20的一侧，配合静态诱导电极15的协同作用，微/纳结构13会受到空间内同一方位电场力的作用，进而诱导其为伞形微/纳阵列结构21；所述的静态诱导电极15、动态诱导电极20的电压可单独调整，每个诱导电极可产生不同的电场强度，进而产生不同大小的电场力；所述的电场诱导的复杂微/纳三维结构受到诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构13的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置等共同影响；所述的动态诱导电极20可在空间内自由运动。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
采用上述装置进行电场诱导辅助电喷射打印制造三维结构，包括以下步骤：
1)电喷射打印微/纳米结构：含有功能材料溶液3(银溶胶)的精密注射器2安置在精密注射泵1上，精密注射器2量程为25-1000μL，利用精密注射泵1的推压力，通过导管4，将银溶胶功能材料溶液3以0.01-5μL min-1的流速送至喷针6内，精密注射泵1可随时调节打印过程中银溶胶功能材料溶液3的流量；所述的喷针6内径尺寸为0.5-500μm，并固定在Z轴的喷针夹具5上，通过Z轴运动，调节喷针6喷孔与衬底12间的垂直距离，调节最大范围为200mm，调节定位精度小于2μm；所述的高压电源在喷针6与打印平台基板10之间施加400-5000V电压，并产生电场力，功能材料溶液3在电场力、机械力、液体表面张力等共同作用下在喷针6喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微/纳尺度稳定液滴，形成分辨率为50nm-10μm的微/纳结构13。
2)电场诱导成型三维结构：静态诱导电极15固定在诱导电极夹具14上，电极电源18向静态诱导电极15、动态诱导电极20施加电压，电压大小为200-8000V，动态诱导电极20可以在空间内实现自由运动，静态诱导电极15、动态诱导电极20与微/纳结构13间存在一层空气间隙，间隙大小为200nm-500μm，施加了电压的电极在这层空气间隙内形成电场，处在这个电场内的微/纳结构13受到电场力的作用，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，形成复杂微/纳三维结构，如将已打印的微/纳结构13放置在两个静态诱导电极15之间，再结合动态诱导电极20的协同作用，微纳/结构13会受到空间不同方位的电场力，进而被诱导为螺旋微/纳结构19；将阵列微/纳结构13放置在动态诱导电极20的一侧，配合静态诱导电极15的协同作用，微/纳结构13会受到空间内同一方位电场力的作用，进而诱导其为伞形微/纳阵列结构21；所述的静态诱导电极15、动态诱导电极20与微/纳结构13在空间内存在一定的位置关系，将已打印的微/纳结构13放置在两个诱导电极形成的空间电场内，微/纳结构13会受到静态诱导电极15、动态诱导电极20的协同作用，进而将微/纳结构13诱导为复杂微/纳三维结构；所述的诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构13的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置等参数与预设的复杂微/纳三维结构相关；所述的诱导电极结构(螺旋形、空间Z字形等)、电极面积(25-10000μm2)、电极电压(200-8000V)、电极与微/纳结构13的间隙(20-500μm)、电极与微/纳结构13的空间位置等关键参数与预设复杂微/纳三维结构相关；所述的电场力的大小与诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与复杂微/纳三维结构的间隙、电极与微/纳结构13的空间位置等相关；所述的诱导电极的电压值可以独立调节；所述的诱导电极材料为导体，如金属材料、导电玻璃等；所述的电极夹具为绝缘体，如聚合物、陶瓷、氧化铝等；所述的诱导成型过程是在保持诱导电极电压不变和诱导电极位置固定的情况下，持续2-30min，使微/纳结构13在电场力的作用下固化、成型，最终得到具有复杂微/纳三维结构和复杂微/纳三维阵列结构。

Claims (3)

1.一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，其特征在于，所用的三维打印装置包括电喷射打印模块和电场诱导成型模块；电喷射打印模块将功能材料溶液以恒定流速送至喷针内，利用施加在喷针上的电场力将功能材料溶液剪切形成远小于喷针尺寸的微/纳米级稳定射流，并打印出微/纳结构；电场诱导成型模块利用诱导电极产生的空间电场力调控此结构，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，得到复杂微/纳三维结构；
所述的电喷射打印模块包括精密注射泵(1)、精密注射器(2)、功能材料溶液(3)、导管(4)、喷针夹具(5)、喷针(6)、相机(7)、上位机(8)、运动控制器(9)、运动平台(10)、打印基板(11)、衬底(12)、微/纳结构(13)、高压电源控制器(16)和射流(17)；所述的精密注射器(2)固定于精密注射泵(1)上，通过导管(4)在精密注射泵(1)的推力下，精密注射器(2)内的功能材料溶液(3)被输送至喷针(6)喷口处；所述的喷针夹具(5)固定在Z轴上用于夹持喷针(6)；所述的相机(7)将打印过程中的射流行为在上位机(8)的监控软件中实时呈现，根据反馈的射流行为及时调节打印参数，以保证打印稳定性；所述的运动控制器(9)接受上位机(8)中运动控制命令，包括打印结构运动路径、速度；所述的运动平台(10)包含XYZ运动轴，实现XYZ三个方向运动，X轴固定在Y轴上方，两轴配合实现XY平面内运动，Z轴位于XY轴上方，实现垂直方向运动；所述的衬底(12)放置于打印基板(11)上，打印基板(11)与衬底(12)相对静止，配合Z轴方向的运动，在衬底(12)上打印微/纳结构(13)；所述的打印基板(11)接地；所述的高压电源控制器(16)向喷针(6)提供高电压，在喷针(6)和打印基板(11)之间存在电势差，形成电场力，功能材料溶液(3)在喷针(6)喷口处受电场力的作用被拖拽成远小于喷孔尺寸的微/纳米级稳定射流(17)，并在衬底(12)上不断打印，形成微/纳结构(13)；所述的喷针(6)通过Z轴的运动调节垂直高度；
所述的电场诱导成型模块包括诱导电极和电极电源(18)；所述的诱导电极布置在衬底(12)上或衬底(12)周围，通过上位机(8)控制；电极电源(18)向诱导电极提供电压，施加电压后的诱导电极产生空间分区电场，微/纳结构(13)受诱导电极电场力的作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构；所述的诱导电极包括静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)；所述的静态诱导电极(15)固定在诱导电极夹具(14)上，固定在衬底(12)上；所述的动态诱导电极(20)悬于衬底(12)上方，在打印过程中通过上位机(8)进行控制；电极电源(18)向静态诱导电极(15)、动态诱导电极(20)提供电压，施加电压后的静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)产生空间分区电场，微/纳结构(13)受静态诱导电极(15)电场力和动态诱导电极(20)电场力的协同作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构；
电极电源(18)向静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)施加电压，并形成空间诱导电场，处在这个电场内的微/纳结构(13)受到电场力的作用，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，形成三维复杂结构；所述的静态诱导电极(15)、动态诱导电极(20)与微/纳结构(13)在空间内存在一定的位置关系，微/纳结构(13)位于静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)共同形成的诱导电场内，微/纳结构(13)受到空间不同方位的电场力，此时，经过静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)的协同作用，进而将微/纳结构(13)诱导为复杂微/纳三维结构；
具体步骤如下：
1)电喷射打印微/纳米结构：含有功能材料溶液(3)的精密注射器(2)安置在精密注射泵(1)上，利用精密注射泵(1)的推压力，通过导管(4)将功能材料溶液(3)以一定的流速送至喷针(6)内，在打印过程中，精密注射泵(1)调节功能材料溶液(3)的流量；喷针夹具(5)安装在Z轴上，喷针(6)固定在喷针夹具(5)上，通过Z轴的上下运动，调节喷针(6)与衬底(12)间的垂直距离；高压电源控制器(16)向喷针(6)施加高电压，此时，在喷针(6)与打印基板(11)之间存在电场力，功能材料溶液(3)在电场力、机械力、液体表面张力的共同作用下在喷针(6)喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微/纳米尺度射流，并在衬底(12)上形成微/纳结构(13)；
2)电场诱导成型三维结构：电极电源(18)向诱导电极施加电压，并形成空间诱导电场，处在这个电场内的微/纳结构(13)受到电场力的作用，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，形成三维复杂结构；诱导电极与微/纳结构(13)在空间内存在一定的位置关系，微/纳结构(13)位于诱导电极形成的诱导电场内，微/纳结构(13)受到空间不同方位的电场力，经过诱导电极作用将微/纳结构(13)诱导为复杂微/纳三维结构。
2.根据权利要求1所述的电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，其特征在于，所述的电场诱导的复杂微/纳三维结构受到诱导电极结构、电极面积、电极电压、电极与微/纳结构(13)的间隙、电极与微/纳结构(13)的空间位置因素的共同影响。
3.根据权利要求1或2所述的电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，其特征在于，所述的静态诱导电极(15)和动态诱导电极(20)的电压值可独立调节，每个诱导电极可产生不同的电场强度，产生不同大小的电场力。
CN201811135321.7A 2018-09-28 2018-09-28 一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法 Active CN109228305B (zh)

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