CN110789123A - 一种基于纸基微流控的3d打印喷头及3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纸基微流控的3D打印喷头及打印装置，属于3D打印技术领域，3D打印喷头包括喷嘴和供料系统，供料系统包括输运通道和溶液槽；输送通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；输运通道与喷嘴为一体式设置；输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部，为打印溶液喷出口；输运通道的外侧有保护套，保护套为闭合式结构，一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至喷嘴；保护套外侧有固定板。本发明采用纸张作为输运通道和喷头，制作材料容易制得、成本低廉，其微纳纤维通道使得打印的微纳结构线宽更小，纸张自带过滤功能，使得溶液输运至喷嘴时，避免了污染及喷嘴堵塞问题，溶液在毛细作用下，将无动力输运至喷嘴。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于纸基微流控技术的电场驱动3D打印的方法。
背景技术
3D打印技术，又称为“增材制造”，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过使用3D打印设备将材料进行逐层添加从而制造出三维物体的新型制造技术，具有打印形状复杂、成型速度快、制造成本低、无需掩膜、周期短等优势。
3D打印技术是实现人工设计具有复杂3D结构制造的理想方法，较为成熟的商业化3D打印技术主要有光固化成型（SLA）、分层实体成型（LOM）、熔丝沉积（FDM）及选择性激光烧结（SLS）等工艺原理。鉴于制造精度—效率的调和问题，3D打印技术在复杂三维结构、微纳尺度结构、器件的制造上更具有应用潜力。以光固化喷印为特征的3D打印技术以及实现了商业化，可以轻易的打印纤维为50微米的结构；FDM技术是由压力挤出高粘度流体，固化形成微米（100微米）线状结构；EHD喷印技术依赖静电拉伸作用，可实现液滴、射流、纳米纤维多模式喷印。这些打印技术受到技术本身的限制，往往高分辨线宽结构和喷头尺寸是相互协调的，而小尺寸喷头与低成本制造又是相互矛盾的。因此，如想获得精细微纳结构，则打印喷头尺寸要尽可能小。目前3D打印机所能实现的分辨率主要取决于喷嘴尺寸，而喷嘴尺寸太小（小于200微米以下），加工成本高，高粘度溶液或因杂质容易使喷嘴堵塞，从而导致打印困难。
因此，急需一种喷嘴尺寸小、加工成本低、能够打印高粘度溶液、不容易堵塞的3D打印喷头。
发明内容
本发明目的在于提供一种喷嘴尺寸小、加工成本低、能够打印高粘度溶液、不容易堵塞的3D打印喷头，发明的内容如下：
一种基于纸基微流控的3D打印喷头，包括喷嘴和供料系统，所述供料系统包括输运通道和溶液槽；所述输送通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；所述输运通道与所述喷嘴为一体式设置；所述输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部；所述狭窄部为喷嘴，用于打印溶液喷出口；所述溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液；所述输运通道的外侧设置有保护套，所述保护套一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至所述喷嘴，用于避免所述输送通道传输的溶液蒸发和受污染；所述保护套外侧设置有固定板，用于固定所述保护套。
进一步地，所述长条形纸张制成筒形或柱形结构，所述喷嘴为锥形结构。
进一步地，所述纸张材料为滤纸、层析纸或硝酸纤维素膜中的一种。
进一步地，所述喷嘴狭窄部结构为尖型或圆弧型。
进一步地，所述喷嘴布置形式为单尖喷嘴、圆弧喷嘴、多喷嘴或阵列喷嘴。
进一步地，适用打印耗材为PI、PVDF、PCL、PLA、PLGA或PVA中的一种。
一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，包括上述任一项所述的3D打印喷头。
本发明的有益效果：
本发明的3D打印喷头，其采用纸张作为3D打印喷头的输运通道和喷嘴，制作材料容易制得而且成本低廉，其微纳纤维通道使得打印的微纳结构线宽更小。纸张作为纸基微流控芯片本身自带过滤功能，使得溶液输运至喷嘴时，避免了污染及喷嘴堵塞问题，因此，可以打印高浓度的打印溶液。另外，打印溶液在毛细作用下，将无动力的输运至打印喷嘴，适用于一些资源受限、设备匮乏等场合应用。
附图说明
图1 3D打印喷头结构示意图
图2 喷嘴部分放大示意图
图3 3D打印装置结构示意图
图4 单尖型喷嘴结构
图5 阵列尖型喷嘴结构
图6单圆弧型喷嘴结构
图7 阵列圆弧型喷嘴结构
其中，1- 控制主机，2- 高压直流电源，3- Z轴移动平台，4- 第一溶液槽，5- 第二溶液槽，6- 第三溶液槽，7- X轴移动平台，8- 保护套，9- 固定板，10- 线圈，11- 第一芯片喷嘴，12- 第二芯片喷嘴，13- 第三芯片喷嘴，14- 工作台，15- Y轴移动平台，16- 控制面板，17- 机架，18- CCD摄像机，19- 单尖型喷嘴结构，20- 阵列尖型喷嘴结构，21- 单圆弧型喷嘴结构，22- 阵列圆弧型喷嘴结构。
具体实施方式
一种基于纸基微流控技术的3D打印喷头，包括喷嘴和供料系统，供料系统包括输运通道和溶液槽；输送通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；输运通道与喷嘴为一体式设置；输运通道一端插置于溶液槽内，另一端为狭窄部，所述狭窄部作为喷嘴，用于为打印溶液喷出口；溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液；输运通道的外侧设置有保护套，保护套为闭合式几何结构，一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至喷嘴，用于避免输送通道传输的溶液蒸发和受污染；保护套外侧设置有固定板，用于固定保护套。
本实施例中将输运通道与喷嘴的组合体称为“纸芯片喷嘴”。本实施例中设置了第一芯片喷嘴11、第二芯片喷嘴12和第三芯片喷嘴13三组，纸芯片喷嘴一端插置于溶液槽内，另一作为喷嘴即打印溶液喷出口；同样本实施例中也设置对应的三组第一溶液槽4、第二溶液槽5和第三溶液槽6。输运通道和喷嘴的材质可以为纸张，所选纸张可以为滤纸、层析纸或硝酸纤维素膜，本实施例中纸芯片喷嘴的纸张选用滤纸。纸芯片喷嘴的主体结构可以为长条形、圆筒形或其他几何形状，本实施例中选用长条形。纸芯片喷嘴的狭窄部结构形式为带尖部几何形，本实施例中为三角形，三角形尖部作为喷嘴。当输运通道的纸张为圆筒形时，喷嘴的结构为圆锥结构。喷嘴的尖部为尖型或圆弧形，本实施例中选用尖型喷嘴设置。
纸芯片喷嘴的外侧设置有保护套8，保护套8可以为圆筒形、圆台形或棱柱形等几何形状，本实施例中保护套8的形状为圆筒形，其一端固定连接于溶液槽，另一端至喷嘴，用于避免纸芯片喷嘴传输的溶液蒸发和污染；保护套8为陶艺层保护套，保护套8外侧设置有固定板9，用于固定保护套8。保护套8与溶液槽之间的连接方式可以为粘接、铆接或标准件连接，优选为粘接。打印溶液的材料为PI、PVDF、PCL、PLA、PLGA或PVA。
一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，见图3，本实施例中所采用的装置包含控制主机1、高压直流电源2、Z轴移动平台3、第一溶液槽4、第二溶液槽5、第三溶液槽6、X轴移动平台7、保护套8、固定板9、线圈10、第一芯片喷嘴11、第二芯片喷嘴12、第三芯片喷嘴13、工作台14、Y轴移动平台15、控制面板16、机架17、CCD摄像机18。
控制主机1由控制面板16用于控制Z轴移动平台3 、X轴移动平台7、 Y轴移动平台15的移动；溶液槽固定安装于X轴移动平台7，保护套8靠近喷嘴处设置有线圈10，线圈10可以为环形、方形等中空结构，优选为环形，保护套8和纸芯片喷嘴放入线圈10内。高压直流电源2的正极端与线圈10连接，负极端与工作台14连接，在打印时用于提供高压电场，使得溶液产生射流；X轴移动平台7用于提供X方向上的移动，固定在Z轴移动平台3上，Z轴移动平台3用于提供Z轴方向上的移动，固定在机架17上；第一溶液槽4、第二溶液槽5、第三溶液槽6可以分别装三种不同种类的溶液，可实现多材料打印；第一芯片喷嘴11、第二芯片喷嘴12、第三芯片喷嘴13的上端分别插入溶液槽内，用于溶液向下的自输运作用；纸芯片喷嘴外面陶艺层保护套8，保护套8一端固定于溶液槽，另一端与固定板9连接，防止溶液蒸发和受污染；工作台14放置在Y轴移动平台15上，用于承载打印物件，Y轴移动平台产生Y轴方向的移动，固定在机架17上；控制面板16安装在机架部分下方，用于整个平台的打印控制；另外，在打印过程中，采用CCD摄像机18观测打印过程并进行调节。
纸芯片喷嘴结构形式可以是尖型喷嘴结构和圆弧形喷嘴结构，其中尖型喷嘴结构分为单尖型喷嘴结构19（见图4），阵列尖型喷嘴结构20（见图5）；圆弧形喷嘴结构分为单圆弧型喷嘴结构21（见图6）和阵列圆弧型喷嘴结构22（见图7）。尖型喷嘴和圆弧喷嘴产生的射流大小不同，因此最终打印的线宽也有区别；单喷嘴结构可以产生单线打印，而阵列型喷嘴结构可以一次性打印阵列的结构。
本实施例的工作原理：主要采用纸张作为3D打印喷头的输运通道和喷头，溶液在毛细作用下自输运到打印喷嘴处，在静电驱动的作用下，溶液在喷嘴处受电场力拉伸形成射流，按照设定的路径，在基底上形成微纳图案。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。
Claims (7)
1.一种基于纸基微流控的3D打印喷头，包括喷嘴和供料系统，其特征在于：所述供料系统包括输运通道和溶液槽；所述输送通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；所述输运通道与所述喷嘴为一体式设置；所述输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部；所述狭窄部为喷嘴，用于打印溶液喷出口；所述溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液；所述输运通道的外侧设置有保护套，所述保护套一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至所述喷嘴，用于避免所述输送通道传输的溶液蒸发和受污染；所述保护套外侧设置有固定板，用于固定所述保护套。
2.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于：所述长条形纸张制成筒形或柱形结构，所述喷嘴为锥形结构。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印喷头，其特征在于：所述纸张材料为滤纸、层析纸或硝酸纤维素膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于：所述喷嘴狭窄部结构为尖型或圆弧型。
5.根据权利要求4所述的3D打印喷头，其特征在于：所述喷嘴布置形式为单尖喷嘴、圆弧喷嘴、多喷嘴或阵列喷嘴。
6.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于：适用打印耗材为PI、PVDF、PCL、PLA、PLGA或PVA中的一种。
7.一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的3D打印喷头。
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