CN113997561B - 一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3d打印装置 - Google Patents

一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3d打印装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，包括：打印喷头模组、任意材质的打印喷嘴模组、任意材质的打印基材、平板电极、打印平台、信号发生器、高压电源、供料模组、精密背压控制模组、XYZ三轴精密运动平台、正压气路系统、观测定位模块、UV固化模块、激光测距仪、底座、连接架、第一可调支架、第二可调支架和第三可调支架；本公开实现了高效电场驱动喷射沉积微纳3D打印，包括多材料多喷头、单材料多喷头、单材料多喷嘴阵列等不同的配置实现方案，极大的提高了打印效率，实现了多材料宏/微/纳打印、大高宽比微结构高效制造、异质材料同时打印、大面积微纳阵列结构高效制造和3D打印平行制造。

Description

一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置
技术领域
本公开涉及3D打印和微纳制造技术领域，特别涉及一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
微纳尺度3D打印是一种基于增材制造原理制备微纳结构或者包含微纳特征结构功能性产品的新型加工技术。与现有微纳制造技术相比，微纳3D打印具有生产成本低、工艺简单、可供打印材料和适合基板种类广泛、无需掩模或模具、直接成形、工艺柔性和适应性好的优点，尤其是它在复杂三维微纳结构、大高宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构以及宏微跨尺度结构制造、非平整衬底/柔性衬底/曲面和3D表面的微纳图形化方面具有非常突出的优势和广泛的工业化应用前景。微纳3D打印已经被应用于微电子、光电子、柔性电子、高清柔性显示、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、航空航天、可穿戴设备等诸多领域。微纳尺度3D打印已经被美国麻省理工学院的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术。
经过近十年的发展，目前已经提出的微纳尺度3D打印工艺有十多种，主要包括：微立体光刻、双光子聚合3D激光直写、电流体动力喷射打印(电喷印)、气溶胶喷射打印、微激光烧结、电化学沉积、微三维打印(粘结剂喷射)、复合微纳3D打印等。与现有的其它微纳3D打印技术相比，近年出现并快速发展的电流体动力喷射打印(Electrohydrodynamic JetPrinting，电喷印)、电场驱动喷射微纳3D打印技术在分辨率、打印材料、设备成本、宏/微跨尺度3D打印等方面具有非常突出的优势，已经在光电子、柔性电子、组织工程、柔性显示、新材料、新能源、航空航天等诸多领域显示出广阔的工业化应用前景。然而，目前面临它们最大的挑战性难题就是由于采用单喷头，导致生产效率低，诸多功能受限，无法满足工程实际应用的要求。
但是，发明人发现，现有的这些技术都难以实现多喷头微纳3D打印，主要原因为：
(1)无论是电喷印还是电场驱动喷射微纳3D打印都存在多喷头之间严重的电场串扰，相互影响，无法实现稳定和一致性高分辨率打印。现有这些技术由于导电喷嘴与高压电源直接连接，打印过程中每个喷嘴喷射射流/微滴材料携带电荷，其极性相同(正电荷或者负电荷)，相邻喷嘴间产生的喷射射流/微滴存在严重的电场串扰、库仑排斥力问题，导致多个喷头无法实现稳定和一致性打印。因此，现有这些技术从原理上就难以实现多喷头并行高分辨率打印。
(2)现有这些技术由于喷嘴是其中的一个电极，导电喷嘴需要直接与高压电源相连接，或者通过提取电极与高压电源相连接(一些改进型电喷印/电场驱动喷射微纳3D打印采用提取电极作为其中一个电极)。因此，该种结构形式导致多个喷头难以实现高密度阵列排布(存在机械干涉)，这导致一方面集成喷头的数量有限，尤其是会使整个打印头尺寸较大，实际应用受到很大限制，尤其是对于微纳尺度高精度打印。因此，现有技术由于多喷头之间的机械干涉也导致难以实现微纳尺度多喷头打印。
(3)亚微尺度和纳尺度3D打印喷嘴制造困难，喷嘴喷金处理后实际使用寿命较短，导致生产成本高和生产周期长；对于亚微尺度和纳尺度3D打印，一般都采用玻璃喷嘴或者硅基喷嘴，这些材料都是不导电，必须对这些非导电的喷嘴进行导电化处理才能使用，诸如喷金等。此外，当喷嘴尺寸小于100纳米时，一方面很难对喷嘴进行导电化处理(喷嘴尺寸太小，喷嘴尺寸发生变化，易出现堵塞)，另一方面导电化处理的喷头由于导电层非常薄，使用寿命很短。
(4)多喷头阵列，无论是对于机械系统设计还是对多喷头电气控制都带来巨大困难。因此，无论是从成形原理还是从其具体实现等方面，电喷印和电场驱动喷射微纳3D打印都难以实现多喷头打印，因此现有商业化电喷印打印装置和电场驱动喷射微纳3D打印都是采用的单喷头，导致其在工程领域的广泛应用受到巨大的限制，已经成为当前电喷印和电场驱动喷射微纳3D打印最大的技术瓶颈。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，实现了多喷头并行微纳3D打印，它包括多材料多喷头、单材料多喷头、单材料多喷嘴阵列等不同的配置实现方案，极大的提高了打印效率；实现了多材料宏/微/纳跨尺度打印、大高宽比结构高效制造、异质材料同时打印、大面积微纳阵列结构高效制造和3D打印并行高效制造；具有结构简单、生产成本低、普适性好(适合任意材料的喷嘴，任意材料的打印材料，任意材料基材)的突出优势；具有喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)以及打印材料(导电和非导电)任意组合的稳定打印的独特优势；尤其是还具有打印喷嘴模组任意排布(直线型、三角形、菱形等)的功能；突破了现有基于喷嘴喷射/挤出微纳3D打印无法实现多喷头并行微纳3D打印的技术瓶颈。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，包括：打印喷头模组、任意材质的打印喷嘴模组、任意材质的打印基材、平板电极、打印平台、信号发生器、高压电源、供料模组、精密背压控制模组、XYZ三轴精密运动平台、正压气路系统、观测定位模块、UV固化模块、激光测距仪、底座、连接架、第一可调支架、第二可调支架、第三可调支架；
打印平台固定在底座上，平板电极位于打印平台之上，信号发生器的输出端与高压电源连接，高压电源的一端与平板电极连接，另一端接地；打印基材位于平板电极之上，打印喷嘴模组中的每个打印喷嘴与打印喷头模组中对应的打印喷头最下端的出料口连接，并位于平板电极的正上方，且打印喷嘴模组中的每个打印喷嘴都垂直于平板电极；
供料模组中的每个供料模块与打印喷头模组的对应打印喷头的下半部连通，精密背压控制模组中的背压控制模块与打印喷头模组中对应的打印喷头的顶部连通，正压气路系统与精密背压控制模组中的各个背压控制模连通；
打印喷头模组通过连接架与XYZ三轴精密运动平台连接，观测定位模块与第一可调支架连接，第一可调支架与连接架固定连接；激光测距仪与第二可调支架连接，第二可调支架与连接架固定连接；UV固化模块与第三可调支架连接，第三可调支架与连接架固定连接。
作为可能的一些实现方式，打印喷头模组中的打印喷头数量、打印喷嘴模组中的打印喷嘴数量、供料模组中的供料模块数量以及精密背压控制模组中的背压控制模块数量均相同，且数量至少为两个，均为一一对应设置。
作为可能的一些实现方式，打印喷头模组的打印喷头为一个，打印喷头底部设置至少两个出料口，每个出料口分别与打印喷嘴模组中的一个打印喷嘴连接，打印喷嘴模组中的打印喷嘴至少为两个，供料模组中的供料模块的数量为1个，精密背压控制模组中的背压控制模块的数量为1个。
作为可能的一些实现方式，打印喷头和/或打印喷嘴的排布为三角阵列。
作为可能的一些实现方式，打印喷头和/或打印喷嘴的排布为直线阵列。
作为可能的一些实现方式，打印喷头和/或打印喷嘴的排布为菱形阵列。
作为可能的一些实现方式，打印喷头和/或打印喷嘴的排布为平面阵列。
作为可能的一些实现方式，打印喷头和/或打印喷嘴的排布为环形阵列。
作为可能的一些实现方式，观测定位模块位于打印喷头的一侧，UV固化模块和激光测距仪均位于打印喷头的另一侧。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴模组中的打印喷嘴为导电和非导电的任意一种材料或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴模组中的打印喷嘴为不锈钢喷嘴、武藏喷嘴、玻璃喷嘴或硅喷嘴。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴模组中的打印喷嘴的内径尺寸范围为0.1μm～300μm。
作为可能的一些实现方式，打印基材为导体、半导体和绝缘体中的任意一种或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，打印基材为PET、PEN、PDMS、玻璃、硅片或铜版。
作为可能的一些实现方式，平板电极为铜电极、铝电极、钢电极和复合导电材料中的任意一种或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，平板电极的厚度范围为0.5mm～30mm。
作为可能的一些实现方式，平板电极的平面度大于或等于公差等级5级精度。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台为龙门式结构，采用直线电机驱动。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台采用三轴气浮运动台。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台采用三轴龙门线轨运动台。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台的X和Y轴的有效行程范围为0mm～600mm，重复定位精度大于或等于±0.4μm，定位精度大于或等于±0.6μm，最大速度为1000mm/s，最大加速度大于或等于1g，Z轴的有效行程范围为0mm～300mm，定位精度大于或等于±0.1μm。
作为可能的一些实现方式，高压电源能够输出直流高压、交流高压或者脉冲高压，能够设置偏压，设置的偏压范围为0KV～2KV且连续可调；
直流高压范围为0KV～5KV，输出脉冲直流电压范围为0KV～±4KV且连续可调，输出脉冲频率范围为0Hz～3000Hz且连续可调，交流高压范围为0KV～±4KV。
作为可能的一些实现方式，供料模块为精密注射泵或者回吸式电动螺杆装置或者已经含有精密挤出装置的料筒。
作为可能的一些实现方式，打印平台同时具备绝缘功能和加热功能，最高加热温度为200℃。
作为可能的一些实现方式，正压气路系统压力范围为0bar～4bar，背压控制模块调压精度大于或等于1kPa。
作为可能的一些实现方式，信号发生器能够输出多种波形，输出频率0MHz～1MHz，能够调节所输出的峰值电压、偏置电压、频率和占空比，按需要实现点或线的打印。
作为可能的一些实现方式，观测模块包括斜视观测相机和/或垂直观测相机中的一种或者两种。
作为可能的一些实现方式，观测模块采用工业相机或高分辨率CCD相机。
作为可能的一些实现方式，UV固化模块为UV LED或高压汞灯。
作为可能的一些实现方式，激光测距仪能够实现对透明材料或非透明材料的距离测量。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印技术，是一种结合单平板电极电场驱动喷射和多喷头(多喷嘴)阵列的优势实现高效多喷头电场驱动喷射沉积微纳3D打印新技术，只需将平板电极与高压电源正极(负极)连接，平板电极正上方设置多个打印喷头(或者多个打印喷嘴)阵列，多个打印喷头(或者多个打印喷嘴)不再需要连接多个电极，也无需接地的对电极，其克服了现有电喷印还是电场驱动喷射微纳3D打印存在的电场串扰(多个喷头/喷组电极之间的电场相互干扰)问题，适用于任意材料的喷嘴、任意材料和类型的打印基材、任意打印材料，能够实现高效多喷头电场驱动喷射沉积微纳3D打印，极大简化电极，结构简单，成本低，工艺普适性和可扩展性好，应用领域几乎没有限制。
(2)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，没有电场串扰、库仑排斥力等问题，因此，一方面能实现多喷头并行高分辨率打印，另一方面也提高了打印精度和稳定性。由于本公开喷嘴与高压电源没有任何连接，依靠极化电荷实现稳定锥射流喷射，喷射射流/微滴尽管由于电场极化存在电荷的重新分布，但是其整体是电中性，避免了现有电流体动力喷射打印、电场驱动喷射微纳3D打印由于打印原理的限制而无法避免的电场串扰、库仑排斥力等问题。
(3)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，多喷头无论是在机械结构还是电气控制等方面都不存在约束和限制，便于实现多喷头喷射沉积微纳3D打印，具有非常高的设计灵活性和柔性。拓展应用领域和范围。
(4)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，即能实现多喷头阵列的多种材料高效多功能高分辨率3D打印；同种材料多喷头阵列的高效大面积宏/微/纳跨尺度3D打印；也能实现同种材料单喷头多喷嘴阵列的高效微纳3D打印，公开的技术能够实现多种不同需求的多喷头微纳3D打印，满足不同用户的实际需求。
(5)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，所设置的打印喷头(喷嘴)的数量理论上几乎没有限制，而且多个打印喷头(喷嘴)排布可以采用平面阵列或者环形阵列等多种不同的布置方案，此外，多个打印喷头(打印喷嘴)具有结构紧凑，高密度排布多个打印喷头(打印喷嘴)的突出优势。
(6)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，实现了打印材料的多样性，同时可以打印多种材料，实现了新结构、新器件、新功能产品的制造。
(7)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，突破了喷嘴、基材和打印材料的限制和约束，实现了喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)以及打印材料(导电和非导电)任意组合的高分率稳定打印。
(8)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，实现了导电材料在导电基材上的高分辨率稳定高效打印，喷嘴不直接施加高电压，而是通过静电感应，克服了传统电喷印在打印导电材料时，由于出现短路、放电击穿等现象，导致无法实现稳定连续打印的问题。
(9)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，实现了生物材料或者生物细胞高分辨率高效打印，拓展了打印材料范围，尤其对于不允许直接施加较高的电压的生物材料和生物细胞，能更好保证其生物活性。
(10)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，解决了亚微尺度和纳尺度3D打印喷嘴制造困难，降低喷嘴生产成本，提高了喷嘴使用寿命，亚微尺度和纳米尺度3D打印广泛使用的玻璃喷嘴或者硅基喷嘴，无需进行导电化处理，就能使用。
(11)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，具有结构简单、成本低、打印效率高、稳定性和普适性好的独特优势。
(12)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，能够实现多材料宏/微/纳结构跨尺度制造，尤其是能实现多种材料宏/微/纳结构跨尺度一体化制造，极大拓展了电场驱动喷射沉积微纳3D打印的功能。
(13)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，提高了3D打印的精度、稳定性、一致性、打印效率、拓展打印材料的范围，真正能够实现高精度微纳尺度3D打印。
(14)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，引入观测模块，对于打印过程全程观测和实时监控，同时解决多层打印过程中喷头的精准定位。
(15)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，采用新的供料方法和装置，能够实现微量液体连续稳定供料，确保打印过程中的稳定性，克服了传统电喷印的供料方式存在的问题(打印过程中背压和供料不稳定，无法实现高精度打印，尤其是打印过程中的稳定性差，严重影响打印图形的一致性和高精度)。
(16)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，实现了微纳3D打印并行制造，实现了异质材料的制造和3D结构集成。
(17)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印技术，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、可拉伸电子、软体机器人等诸多领域和行业。
(18)本公开提供的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，解决了现有电场驱动喷射沉积微纳3D打印存在的问题(只能使用单喷头(喷嘴)，导致打印效率低、功能受限的瓶颈问题，无法实现多喷头阵列打印)，提供了一种能实现高效多喷头(多喷嘴)阵列多材料跨尺度微纳3D打印全新的工业级解决方案。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开提供的单平板电极电场驱动微纳3D打印装置基本原理示意图。
图2为本公开实施例1提供的多喷头电场驱动微纳3D打印装置结构示意图。
图3为本公开实施例2提供的多喷头电场驱动微纳3D打印装置结构示意图。
图4为本公开实施例3提供的多喷头电场驱动微纳3D打印装置结构示意图。
1、高压电源；2、信号发生器；3、XYZ三轴精密运动平台(Y轴精密位移台301、X轴精密位移台302、Z轴精密位移台303)；4、正压气路系统；5、精密背压控制模组；6、观测定位模块；7、第一可调支架；8、供料模组(1-N)；9、打印喷头模组(1-N)；10、打印喷嘴模组(1-N，任意材料)；11、激光测距仪；12、第二可调支架；13、UV固化模块；14、第三可调支架；15、连接架；16、打印基材(任意材料)；17、平板电极；18、打印平台；19、底座。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
为了克服现有微纳3D打印技术存在的不足和局限性，亟待开发多喷头电场驱动喷射微纳3D打印技术，实现高效率微纳3D打印，实现多材料跨尺度3D打印，满足工业级微纳3D打印的要求，突破当前制约电场驱动喷射微纳3D打印的核心瓶颈问题。
本公开实施例1提供了一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，如图1所示，其基本原理为：
平板电极与高压脉冲电源正极(或负极)连接，无需接地的对电极，尤其是打印喷嘴模组和基材都不再作为电极(对)，突破了传统电喷印和现有电场驱动喷射沉积微纳3D打印对于喷嘴模组和基材导电性的约束和限制。即使采用绝缘的喷嘴模组和绝缘的基材也能实现稳定的打印。其利用静电感应作用自激发(诱导)喷射所需电场，图1(b)是基本打印成形原理示意图。
高压脉冲电源的正极与平板电极相连，使其具有高电势，根据接触起电原理，此时平板电极上会均匀排布正电荷，其形成的电场方向是从平板电极指向无穷远处。由于静电感应的作用，处于电场中的物体被极化，打印基材在平板电极产生的电场作用下表面和内部电荷发生迁移，电荷出现重新分布形成电矩，正电荷分布在上表面，负电荷分布在的下表面。
喷嘴模组处被挤出的呈弯液面形状打印材料在电场作用下也被极化，弯液面的外表面分布负电荷。在电场力作用下喷嘴模组处的液(熔)体被拉伸形成泰勒锥，随着施加电压增大出现稳定的锥射流喷射(喷嘴喷射射流/微滴整体呈电中性)，打印材料喷射沉积到基材上。当对平板电极处施加负极高压时，喷嘴液(熔)滴内部及表面分布着与施加正极高压相反的电荷，所形成电场仍将驱动打印材料喷射沉积到基材或者已成形结构上。
本实施例采用的基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印是一种基于自激发静电感应电场驱动微喷射成形新技术，将平板电极与高压电源正极(或负极)连接，无需接地的对电极，尤其是打印喷嘴和基材都不再作为电极(对)。这一方面突破了现有技术对于喷嘴和基材导电性的约束和限制；尤其是喷嘴与高压电源没有任何连接，依靠极化电荷实现稳定锥射流喷射，喷嘴喷射射流/微滴尽管由于电场极化存在电荷的重新分布，但是喷射射流/微滴整体是电中性，多喷头之间没有电场串扰、库仑排斥力的问题。解决了现有技术由于导电喷嘴与高压电源直接连接，打印过程中喷射射流/微滴材料携带相同极性电荷，存在严重的电场串扰、库仑排斥力，无法实现多喷头稳定性和一致性打印。因此，本发明通过使用全新的微纳3D打印成形原理，进而实现多喷头并行微纳3D打印。
基于上述基本原理，本公开提供了一种单平板电极电场驱动多喷头微纳3D打印装置，它包括高压电源1、信号发生器2、XYZ三轴精密运动平台3(Y轴精密位移台301、X轴精密位移台302、Z轴精密位移台303)、正压气路系统4、精密背压控制模块5、观测定位模块6、第一可调支架7、供料模组(1-N)8、打印喷头模组(1-N)9、打印喷嘴模组(1-N，任意材料)10、激光测距仪11、第二可调支架12、UV固化模块13、第三可调支架14、连接架15、打印基材(任意材料)16、平板电极17、打印平台18、底座19。
具体的，底座19置于最下部；打印平台18固定在底座19上；平板电极17置于打印平台18之上；连接着信号发生器2的高压电源1(正极或负极)一端与平板电极17相连，另一端接地；
打印基材16置于平板电极17之上；打印喷嘴模组(1-N，任意材料)10与打印喷头模组(1-N)9最下端的出料口相连，并置于平板电极17的正上方，且打印喷嘴模组(1-N，任意材料)10垂直于平板电极17；
供料模组(1-N)8与打印喷头模组(1-N)9的下半部相连；
精密背压控制模组5与打印喷头模组(1-N)9的顶部相连；正压气路系统4与精密背压控制模组5相连；打印喷头模组(1-N)9通过连接架15与XYZ三轴精密运动平台3相连接；
观测模块6置于第一可调支架7上，第一可调支架7固定在连接架15上；激光测距仪11置于第二可调支架12上，第二可调支架12固定在连接架15上；UV固化模块13置于第三可调支架14上，第三可调支架14固定在连接架15上。
打印喷嘴模组包括打印喷嘴的数量：1、2、3、…，N个，且打印喷嘴的数量至少不少于2个，供料模组包括供料模块的数量：1、2、3、…、N个，精密背压控制模组包括精密背压控制模块的数量：1、2、3、…、N个。
根据实际需求和要求功能的不同，所述打印喷头模组、打印喷嘴模组、供料模组、精密背压控制模组的数量和组合配置选用以下两种方案：
第一种方案：所述打印喷头模组、打印喷嘴模组、供料模组、精密背压控制模组均一一对应，且打印喷头、打印喷嘴、供料模块、精密背压控制模块的数量不少于2个；
第二种方案：所述打印喷头模组的打印喷头是一个，打印喷头底部设置至少2个以上的出料口，这些出料口分别与打印喷嘴相连接；所述打印喷嘴模组的打印喷嘴的数量不少于2个；供料模组的供料模块的数量是1个；精密背压控制模组的精密背压控制模块的数量是1个。
实施例2：
为实现宏/微/纳结构同时制造、大面积阵列结构高效制造以及大高宽比结构的制造，本公开实施例2提供了一种单平板电极电场驱动单材料多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，如图2所示，3个打印喷头直线式排布使用相同材料及同一口径喷嘴进行面积为250mm×250mm的透明电极制造。
其中：
所述供料模组801-803打印材料均选择为纳米导电银浆；
所述打印喷嘴1001-1003均选用30G不锈钢导电喷嘴(内径为150μm)；
所述打印基材选用300mm×300mm×2mm普通透明玻璃；
所述平板电极选择350mm×350mm×3mm铜板；
所述高压电源1设定为放大器模式；所述信号发生器2设置为频率为800Hz、峰值为7V、偏置电压为0V、占空比50％；
所述精密背压控制模块5设置为0.15mPa；
所述打印喷嘴模组10的喷嘴口距打印基材16的高度为0.15mm；
所述XYZ三轴精密运动平台3在运行打印程序时合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
实施例3：
为实现大面积阵列结构高效制造及大高宽比结构的制造，本公开实施例3提供了一种单平板电极电场驱动单料筒多喷头喷射沉积微纳3D打印装置如图3，图3打印喷嘴呈三角形阵列分布。
其中：
所述供料模组8选择为纳米导电银浆；
所述打印喷嘴模组1001-1003均选用30G不锈钢导电喷嘴(内径0.15mm)；
所述打印基材16选用300mm×300mm×2mm普通玻璃；
所述平板电极17选择350mm×350mm×3mm铜板；
所述高压电源1设定为放大器模式；所述信号发生器2设置为频率为800Hz、峰值为7V、偏置电压为0V、占空比50％；
所述精密背压控制模块5设置为0.15mPa；
所述打印喷嘴模组10喷嘴口距打印基材16的高度为0.15mm；
所述XYZ三轴精密运动平台3在运行打印程序时合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
实施例4：
为实现多材料宏微跨尺度制造，本公开实施例4提供了一种单平板电极电场驱动多喷头多材料喷射沉积微纳3D打印装置如图4，进行柔性跨尺度混合电路的制造中供料模组8分别放置不同的打印材料，每个喷嘴材料和尺寸完全不同。
其中：
所述供料模组8中供料模块801-802打印材料选择为纳米导电银浆，供料模块803打印材料为PDMS；
所述打印喷嘴模组10分别选用玻璃绝缘喷嘴1001-1002(内径为50μm)；27G不锈钢导电喷嘴1003(内径为200μm)；
所述打印基材选用300mm×300mm×2mm普通透明玻璃；
所述平板电极选择350mm×350mm×3mm铜板；
所述高压电源1设定为放大器模式，所述信号发生器2设置为频率为800Hz、峰值为8V、偏置电压为0V、占空比50％；
所述精密背压控制阀501设置为0.15mPa，精密背压控制阀502设置为5kPa，精密背压控制阀设置为0.13mPa；
所述打印喷嘴1001-1002喷嘴口距打印基材16的高度为0.1mm，打印喷嘴1003喷嘴口距打印基材16高度为0.25mm；
所述XYZ三轴精密运动平台3在运行打印程序时合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印装置还包括其他组合和配置方案。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
包括：打印喷头模组、任意材质的打印喷嘴模组、任意材质的打印基材、平板电极、打印平台、信号发生器、高压电源、供料模组、精密背压控制模组、XYZ三轴精密运动平台、正压气路系统、观测定位模块、UV固化模块、激光测距仪、底座、连接架、第一可调支架、第二可调支架和第三可调支架；
打印平台固定在底座上，平板电极位于打印平台之上，信号发生器的输出端与高压电源连接，高压电源的一端与平板电极连接，另一端接地；打印基材位于平板电极之上，打印喷嘴模组中的每个打印喷嘴与打印喷头模组中对应的打印喷头最下端的出料口连接，并位于平板电极的正上方，且打印喷嘴模组中的每个打印喷嘴都垂直于平板电极；
打印基材在平板电极产生的电场作用下表面和内部电荷发生迁移，电荷出现重新分布形成电矩，正电荷分布在上表面，负电荷分布在下表面；
喷嘴模组处被挤出的呈弯液面形状打印材料在电场作用下也被极化，弯液面的外表面分布负电荷，随着施加电压增大出现稳定的锥射流喷射，喷射射流整体是电中性；
供料模组中的每个供料模块与打印喷头模组的对应打印喷头的下半部连通，精密背压控制模组中的背压控制模块与打印喷头模组中对应的打印喷头的顶部连通，正压气路系统与精密背压控制模组中的各个背压控制模连通；
打印喷头模组通过连接架与XYZ三轴精密运动平台连接，观测定位模块与第一可调支架连接，第一可调支架与连接架固定连接；激光测距仪与第二可调支架连接，第二可调支架与连接架固定连接；UV固化模块与第三可调支架连接，第三可调支架与连接架固定连接；
打印喷头和/或打印喷嘴的排布为三角阵列；
或者，
打印喷头和/或打印喷嘴的排布为直线阵列；
或者，
打印喷头和/或打印喷嘴的排布为菱形阵列；
或者，
打印喷头和/或打印喷嘴的排布为平面阵列；
或者，
打印喷头和/或打印喷嘴的排布为环形阵列；
打印喷嘴模组中的打印喷嘴为导电和非导电的任意一种材料或几种材料的组合；
或者，
打印喷嘴模组中的打印喷嘴为不锈钢喷嘴、武藏喷嘴、玻璃喷嘴或硅喷嘴；
或者，
打印喷嘴模组中的打印喷嘴的内径尺寸范围为0.1μm～300μm；
或者，
打印基材为导体、半导体和绝缘体中的任意一种或几种材料的组合；
或者，
打印基材为PET、PEN、PDMS、玻璃、硅片或铜板；
或者，
平板电极为铜电极、铝电极、钢电极和复合导电材料中的任意一种或几种材料的组合；
或者，
平板电极的厚度范围为0.5mm～30mm；
或者，
平板电极的平面度大于或等于公差等级5级精度。
2.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
打印喷头模组中的打印喷头数量、打印喷嘴模组中的打印喷嘴数量、供料模组中的供料模块数量以及精密背压控制模组中的背压控制模块数量均相同，且数量至少为两个，均为一一对应设置。
3.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
打印喷头模组中的打印喷头为一个，打印喷头底部设置至少两个出料口，每个出料口分别与打印喷嘴模组中的一个打印喷嘴连接，打印喷嘴模组中的打印喷嘴至少为两个，供料模组中的供料模块的数量为1个，精密背压控制模组中的背压控制模块的数量为1个。
4.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
观测定位模块位于打印喷头的一侧，UV固化模块和激光测距仪均位于打印喷头的另一侧。
5.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
XYZ三轴精密运动平台为龙门式结构，采用直线电机驱动；
或者，
XYZ三轴精密运动平台采用三轴气浮运动台；
或者，
XYZ三轴精密运动平台采用三轴龙门线轨运动台；
或者，
XYZ三轴精密运动平台的X和Y轴的有效行程范围为0mm～600mm，重复定位精度大于或等于±0.4μm，定位精度大于或等于±0.6μm，最大速度为1000mm/s，最大加速度大于或等于1g，Z轴的有效行程范围为0mm～300mm，定位精度大于或等于±0.1μm。
6.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
高压电源能够输出直流高压、交流高压或者脉冲高压，能够设置偏压，设置的偏压范围为0KV～2KV且连续可调；
直流高压范围为0KV～5KV，输出脉冲直流电压范围为0KV～±4KV且连续可调，输出脉冲频率范围为0Hz～3000Hz且连续可调，交流高压范围为0KV～±4KV。
7.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
供料模块为精密注射泵或者回吸式电动螺杆装置或者已经含有精密挤出装置的料筒；
或者，
打印平台同时具备绝缘功能和加热功能，最高加热温度为200℃；
或者，
正压气路系统压力范围为0bar～4bar，背压控制模块调压精度大于或等于1kPa。
8.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动多喷头喷射沉积微纳3D打印装置，其特征在于：
信号发生器能够输出多种波形，输出频率0MHz～1MHz，能够调节所输出的峰值电压、偏置电压、频率和占空比，按需要实现点或线的打印；
或者，
观测模块包括斜视观测相机和/或垂直观测相机中的一种或者两种；
或者，
观测模块采用工业相机或高分辨率CCD相机；
或者，
UV固化模块为UVLED或高压汞灯；
或者，
激光测距仪能够实现对透明材料或非透明材料的距离测量。
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