CN114103100A - 一种电雾化-电射流复合打印方法 - Google Patents

一种电雾化-电射流复合打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电雾化‑电射流复合打印方法，首先，溶液输送模块中的溶液泵将功能溶液输送至储液管内，功能溶液进入电雾化喷头内，复合打印模块中的高压电源向电雾化喷头提供高电压，电雾化喷头内功能溶液在电场力、表面张力的作用下形成电雾化，沉积到衬底上形成电雾化结构；接着，电雾化‑电射流转换模块中的转向电机与转换头锥齿啮合传动，将电雾化喷头切换成电射流喷头；最后，电射流喷头内的溶液在多力复合作用下，于电射流喷头出口处形成精细射流，射流沉积到电雾化结构上，形成电射流结构，并与雾化结构结合形成复合结构。本发明的电雾化‑电射流复合打印方法具有成本低、工艺周期短、材料适应性广的优势。

Description

一种电雾化-电射流复合打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电雾化-电射流复合打印方法。
背景技术
打印技术为多种微纳结构和器件的制造提供了有效手段。基于电流体动力效应的打印技术，采用外加电场力，驱动功能液体在喷针出口处产生精细射流，这种依靠强电场力作用在喷针弯液面出“拉”出喷射液滴射流或液滴具有超高的分辨率，射流直径小于100nm，远小于喷针内径。通过改变功能液体物理性能参数(粘度、电导率、表面张力等)及打印工艺参数(喷针材质及内径尺寸、外加电场强度、打印高度、电极形式及位置)，可获得电雾化沉积、电纺丝、电射流打印三种工艺形式，用于制备不同需求的微纳尺度结构。
电射流打印是基于电流体动力效应的微纳结构制造方法，当流体压力和外加电场力共同作用于喷针出口处的半圆形液柱，液柱表面电荷聚集，此时，半圆形液柱在电场力与流体粘滞力、惯性力、表面张力等复合作用下形成圆锥形状，并在其尖端诱导形成精细射流，结合运动平台的移动，在衬底上直接打印出微纳米功能结构。此外，当液体受到相对于其周围环境的高电势时，会形成一个尖半月板，接着会喷射出微射流，液体微射流的破裂会产生带电液滴，发生电喷雾。
大量前期研究已表明，微纳复合结构因多种材料的复合效应，使复合结构获得了原来单一材料不具备的特异性能，极大提升了结构及器件的性能。然而，目前上述微纳复合结构和器件多采用电子束、离子束、气相沉积等工艺制成，其制造过程多需要昂贵的设备，制备周期长，工艺成本高。
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，发明一种电雾化-电射流复合打印方法。首先，溶液输送模块中的溶液泵将功能溶液输送至储液管内，功能溶液进入电雾化喷头内，复合打印模块中的高压电源向电雾化喷头提供高电压，电雾化喷头内功能溶液在电场力、表面张力的作用下形成电雾化，沉积到衬底上形成电雾化结构；接着，电雾化-电射流转换模块中的转向电机与转换头锥齿啮合传动，将电雾化喷头切换成电射流喷头；最后，电射流喷头内的溶液在多力复合作用下，于电射流喷头出口处形成精细射流，射流沉积到电雾化结构上，形成电射流结构，并与雾化结构结合形成复合结构。电雾化-电射流复合打印方法具有成本低、工艺周期短、材料适应性广的优势。
本发明采取的技术方案是：
一种电雾化-电射流复合打印方法，采用的打印装置，其特征在于，包括溶液输送模块、电雾化-电射流转换模块、复合打印模块；所述的溶液输送模块包括储液管夹具、储液管、溶液泵、固定螺栓、连接导管、中继管、中继管夹具；所述的储液管固定在储液管夹具上；所属的溶液泵通过连接导管与中继管连通；所述的中继管固定在中继管夹具上；所述的中继管通过连接导管与储液管连通；所述的固定螺栓将连接导管固定在储液管上；所述的溶液泵将功能溶液经连接导管、中继管输送至储液管内；
所述的电雾化-电射流转换模块包括电机、电机夹具、垂直运动滑块、丝杠、垂直支撑梁、水平承重梁、转向电机夹具、转向电机、电机锥齿、转换头锥齿、电雾化喷头、电射流喷头、控制计算机；所述的电机通过电机夹具固定在垂直支撑梁上；所述的水平承重梁固定在垂直运动滑块上；所述的电机带动丝杠并驱动垂直运动滑块；所述的转向电机夹具固定在水平承重梁的正下方；所述的转向电机固定在转向电机夹具上；所述的电机锥齿固定在转向电机上；所述的电雾化喷头和电射流喷头位于转换头锥齿下方；所述的转换头锥齿与电机锥齿啮合，两者之间的啮合传动，带动电雾化喷头和电射流喷头的转换；控制计算机与电机、转向电机通讯；
所述的复合打印模块包括打印衬底、衬底夹具、运动基底、工业摄像机、高压电源、电雾化结构、电射流结构；所述的衬底夹具固定在运动基底上方；所述的打印衬底固定在衬底夹具上；所述的高压电源通过导线向电雾化喷头和电射流喷头提供高电压，并在打印衬底与电雾化喷头或电射流喷头之间形成高压电场；电雾化喷头内的功能溶液在高压电场的作用下，以喷雾的形式沉积到打印衬底上，形成电雾化结构；电射流喷头内的功能溶液在高压电场的作用下，以射流的形式沉积到电雾化结构上，形成电射流结构，并与雾化结构结合形成复合结构；所述的工业摄像机用于观测复合打印的过程、电雾化结构与电射流结构的位置关系；
采用上述电雾化-电射流复合打印装置进行复合结构的打印制备，包括以下步骤：
第一步，功能溶液的输运
利用溶液泵的推压力，将功能溶液以固定流速输运至储液管内，其中，溶液泵先通过连接导管将功能溶液输送到中继管内，中继管起到了缓冲、稳流的作用，在溶液泵提供的流体压力下，中继管内的功能溶液通过连接导管到达储液管内；
第二步，电雾化沉积结构
打印衬底固定在衬底夹具上，衬底夹具固定在运动基底上，打印衬底可以随运动基底运动；电雾化喷头与储液管连通，储液管内的功能溶液流入电雾化喷头内，高压电源通过导线向电雾化喷头施加高电压，并在打印衬底与电雾化喷头之间形成高压电场，电雾化喷头的功能溶液在电场力、流体压力、重力、液体表面张力的作用下，在电雾化喷头出口处形成电雾化，雾化后的功能溶液沉积到打印衬底上，形成电雾化结构，工业摄像机用于观测电雾化行为及电雾化结构；
第三步，喷头切换
电雾化沉积结构完成后，电机夹具上的电机通过带动丝杠转动，以驱动垂直运动滑块垂直运动，转向电机夹具上转向电机启动，并带动电机锥齿转动，电机锥齿与转换头锥齿通过啮合传动，带动转换头锥齿的转动；位于转换头锥齿下方的电射流喷头，在转换头锥齿的带动下，随其旋转一定角度，完成电雾化喷头到电射流喷头的切换，切换完成后的电射流喷头与储液管连通，功能溶液流入电射流喷头中；
第四步，电射流打印结构
喷头切换后，丝杠带动垂直运动滑块运动调节喷头的垂直高度，高压电源调节电压输出值，并通过导线向电射流喷头施加高电压，经储液管流入到电雾化喷头内的功能溶液多力复合作用下，于电射流喷头出口处形成精细射流，精细射流沉积到电雾化结构上，形成电射流结构，并与雾化结构结合形成复合结构，工业摄像机用于观测电射流行为及电雾化结构(26)与电射流结构的位置关系；
本发明的有益效果为：一种电雾化-电射流复合打印方法，实现了电雾化与电射流间的切换，制备出微纳复合结构。功能溶液电雾化沉积在衬底上形成电雾化结构，接着，将电雾化喷头切换为电射流喷头，功能溶液在电射流喷头出口处形成精细射流，并沉积在电雾化结构上，与其形成微纳复合结构。本发明的一种电雾化-电射流复合打印方法制备微纳复合结构具有低成本、适用性广等特点。
附图说明：
图1是本发明实施例中的电雾化-电射流复合打印装置的装置简图。
图2是本发明实施例中电雾化沉积的示意图。
图3是本发明实施例中在电雾化结构上电射流打印结构的示意图。
图4是本发明实施例中喷头切换的装置简图。
图中：1电机、2电机夹具、3垂直运动滑块、4丝杠、5垂直支撑梁、6水平承重梁、7转向电机夹具、8转向电机、9电机锥齿、10转换头锥齿、11打印衬底、12衬底夹具、13运动基底、14电雾化喷头、15电射流喷头、16控制计算机、17工业摄像机、18储液管夹具、19储液管、20高压电源、21溶液泵、22固定螺栓、23连接导管、24中继管、25中继管夹具、26电雾化结构、27电射流结构。
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。参见图1至图4。
本实例公开了一种电雾化-电射流复合打印方法，采用的复合打印装置，其特征在于，包括溶液输送模块、电雾化-电射流转换模块、复合打印模块。首先，溶液输送模块中的溶液泵将功能溶液输送至储液管内，功能溶液进入电雾化喷头内，复合打印模块中的高压电源向电雾化喷头提供高电压，电雾化喷头内功能溶液在电场力、表面张力的作用下形成电雾化，沉积到衬底上形成电雾化结构；接着，电雾化-电射流转换模块中的转向电机与转换头锥齿啮合传动，将电雾化喷头切换成电射流喷头；最后，电射流喷头内的溶液在多力复合作用下，于电射流喷头出口处形成精细射流，射流沉积到电雾化结构上，形成电射流结构，并与雾化结构结合形成复合结构。
具体地讲，所述的溶液输送模块包括储液管夹具18、储液管19、溶液泵21、固定螺栓22、连接导管23、中继管24、中继管夹具25；所述的储液管19固定在储液管夹具18上；所属的溶液泵21通过连接导管23与中继管24连通；所述的中继管24固定在中继管夹具25上；所述的中继管24通过连接导管23与储液管19连通；所述的固定螺栓22将连接导管23固定在储液管19上；所述的溶液泵21将功能溶液经连接导管23、中继管24输送至储液管19内；
具体地讲，所述的电雾化-电射流转换模块包括电机1、电机夹具2、垂直运动滑块3、丝杠4、垂直支撑梁5、水平承重梁6、转向电机夹具7、转向电机8、电机锥齿9、转换头锥齿10、电雾化喷头14、电射流喷头15、控制计算机16；所述的电机1通过电机夹具2固定在垂直支撑梁5上；所述的水平承重梁6固定在垂直运动滑块3上；所述的电机1带动丝杠4并驱动垂直运动滑块3；所述的转向电机夹具7固定在水平承重梁6的正下方；所述的转向电机8固定在转向电机夹具7上；所述的电机锥齿9固定在转向电机8上；所述的电雾化喷头14和电射流喷头15位于转换头锥齿10下方；所述的转换头锥齿10与电机锥齿9啮合，两者之间的啮合传动，带动电雾化喷头14和电射流喷头15的转换；控制计算机16与电机1、转向电机8通讯；
具体地讲，所述的复合打印模块包括打印衬底11、衬底夹具12、运动基底13、工业摄像机17、高压电源20、电雾化结构26、电射流结构27；所述的衬底夹具12固定在运动基底13上方；所述的打印衬底11固定在衬底夹具12上；所述的高压电源20通过导线向电雾化喷头14和电射流喷头15提供高电压，并在打印衬底11与电雾化喷头14或电射流喷头15之间形成高压电场；电雾化喷头14内的功能溶液在高压电场的作用下，以喷雾的形式沉积到打印衬底11上，形成电雾化结构26；电射流喷头15内的功能溶液在高压电场的作用下，以射流的形式沉积到电雾化结构26上，形成电射流结构27，并与雾化结构26结合形成复合结构；所述的工业摄像机17用于观测复合打印的过程、电雾化结构26与电射流结构27的位置关系。
电雾化-电射流复合打印方法为：
第一步，功能溶液的输运
利用溶液泵21的推压力，将PZT功能溶液以0.001μL/min-2μL/min固定流速输运至储液管19内，其中，溶液泵21先通过直径为0.05mm-5mm连接导管23将功能溶液输送到中继管24内，中继管24起到了缓冲、稳流的作用，在溶液泵21提供的流体压力下，中继管24内的功能溶液通过连接导管23到达储液管19内；
第二步，电雾化沉积结构
厚度为10μm-2mm打印衬底11固定在衬底夹具12上，衬底夹具12固定在运动基底13上，打印衬底11可以随运动基底13运动；内径为200μm-3mm的电雾化喷头14与储液管19连通，储液管19内的PZT功能溶液流入电雾化喷头14内，高压电源20通过导线向电雾化喷头14施加2000V-8000V的高电压，并在打印衬底11与电雾化喷头14之间形成高压电场，电雾化喷头14的功能溶液在电场力、流体压力、重力、液体表面张力的作用下，在电雾化喷头14出口处形成电雾化，雾化后的PZT功能溶液沉积到打印衬底11上，雾化层层沉积，形成电雾化结构26，工业摄像机17用于观测电雾化行为及电雾化结构26；
第三步，喷头切换
电雾化沉积结构完成后，电机夹具2上的电机1通过带动丝杠4转动，以驱动垂直运动滑块3垂直运动，转向电机夹具7上转向电机8启动，并带动电机锥齿9转动，电机锥齿9与转换头锥齿10通过啮合传动，带动转换头锥齿10的转动；位于转换头锥齿10下方的电射流喷头15，在转换头锥齿10的带动下，随其旋转180°，完成电雾化喷头14到电射流喷头15的切换，切换完成后的电射流喷头15与储液管19连通，内径为2001μm-3mm功能溶液流入电射流喷头15中；
第四步，电射流打印结构
喷头切换后，丝杠4带动垂直运动滑块3运动调节喷头的垂直高度，高压电源20调节电压输出值，电压值调整为500V-3000V，并通过导线向电射流喷头15施加高电压，经储液管19流入到电雾化喷头14内的功能溶液多力复合作用下，于电射流喷头15出口处形成直径为100nm-50μm精细射流，精细射流沉积到电雾化结构26上，形成电射流结构27，并与雾化结构26结合形成复合结构，工业摄像机17用于观测电射流行为及电雾化结构26与电射流结构27的位置关系。

Claims (2)

1.一种电雾化-电射流复合打印方法，采用的复合打印装置，其特征在于，包括溶液输送模块、电雾化-电射流转换模块、复合打印模块；所述的溶液输送模块包括储液管夹具(18)、储液管(19)、溶液泵(21)、固定螺栓(22)、连接导管(23)、中继管(24)、中继管夹具(25)；所述的储液管(19)固定在储液管夹具(18)上；所属的溶液泵(21)通过连接导管(23)与中继管(24)连通；所述的中继管(24)固定在中继管夹具(25)上；所述的中继管(24)通过连接导管(23)与储液管(19)连通；所述的固定螺栓(22)将连接导管(23)固定在储液管(19)上；所述的溶液泵(21)将功能溶液经连接导管(23)、中继管(24)输送至储液管(19)内；
所述的电雾化-电射流转换模块包括电机(1)、电机夹具(2)、垂直运动滑块(3)、丝杠(4)、垂直支撑梁(5)、水平承重梁(6)、转向电机夹具(7)、转向电机(8)、电机锥齿(9)、转换头锥齿(10)、电雾化喷头(14)、电射流喷头(15)、控制计算机(16)；所述的电机(1)通过电机夹具(2)固定在垂直支撑梁(5)上；所述的水平承重梁(6)固定在垂直运动滑块(3)上；所述的电机(1)带动丝杠(4)并驱动垂直运动滑块(3)；所述的转向电机夹具(7)固定在水平承重梁(6)的正下方；所述的转向电机(8)固定在转向电机夹具(7)上；所述的电机锥齿(9)固定在转向电机(8)上；所述的电雾化喷头(14)和电射流喷头(15)位于转换头锥齿(10)下方；所述的转换头锥齿(10)与电机锥齿(9)啮合，两者之间的啮合传动，带动电雾化喷头(14)和电射流喷头(15)的转换；控制计算机(16)与电机(1)、转向电机(8)通讯；
所述的复合打印模块包括打印衬底(11)、衬底夹具(12)、运动基底(13)、工业摄像机(17)、高压电源(20)、电雾化结构(26)、电射流结构(27)；所述的衬底夹具(12)固定在运动基底(13)上方；所述的打印衬底(11)固定在衬底夹具(12)上；所述的高压电源(20)通过导线向电雾化喷头(14)和电射流喷头(15)提供高电压，并在打印衬底(11)与电雾化喷头(14)或电射流喷头(15)之间形成高压电场；电雾化喷头(14)内的功能溶液在高压电场的作用下，以喷雾的形式沉积到打印衬底(11)上，形成电雾化结构(26)；电射流喷头(15)内的功能溶液在高压电场的作用下，以射流的形式沉积到电雾化结构(26)上，形成电射流结构(27)，并与雾化结构(26)结合形成复合结构；所述的工业摄像机(17)用于观测复合打印的过程、电雾化结构(26)与电射流结构(27)的位置关系。
2.采用权利要求1所述的打印装置进行电雾化-电射流复合打印，其特征在于，步骤如下：
第一步，功能溶液的输运
利用溶液泵(21)的推压力，将功能溶液以固定流速输运至储液管(19)内，其中，溶液泵(21)先通过连接导管(23)将功能溶液输送到中继管(24)内，中继管(24)起到了缓冲、稳流的作用，在溶液泵(21)提供的流体压力下，中继管(24)内的功能溶液通过连接导管(23)到达储液管(19)内；
第二步，电雾化沉积结构
打印衬底(11)固定在衬底夹具(12)上，衬底夹具(12)固定在运动基底(13)上，打印衬底(11)可以随运动基底(13)运动；电雾化喷头(14)与储液管(19)连通，储液管(19)内的功能溶液流入电雾化喷头(14)内，高压电源(20)通过导线向电雾化喷头(14)施加高电压，并在打印衬底(11)与电雾化喷头(14)之间形成高压电场，电雾化喷头(14)的功能溶液在电场力、流体压力、重力、液体表面张力的作用下，在电雾化喷头(14)出口处形成电雾化，雾化后的功能溶液沉积到打印衬底(11)上，形成电雾化结构(26)，工业摄像机(17)用于观测电雾化行为及电雾化结构(26)；
第三步，喷头切换
电雾化沉积结构完成后，电机夹具(2)上的电机(1)通过带动丝杠(4)转动，以驱动垂直运动滑块(3)垂直运动，转向电机夹具(7)上转向电机(8)启动，并带动电机锥齿(9)转动，电机锥齿(9)与转换头锥齿(10)通过啮合传动，带动转换头锥齿(10)的转动；位于转换头锥齿(10)下方的电射流喷头(15)，在转换头锥齿(10)的带动下，随其旋转一定角度，完成电雾化喷头(14)到电射流喷头(15)的切换，切换完成后的电射流喷头(15)与储液管(19)连通，功能溶液流入电射流喷头(15)中；
第四步，电射流打印结构
喷头切换后，丝杠(4)带动垂直运动滑块(3)运动调节喷头的垂直高度，高压电源(20)调节电压输出值，并通过导线向电射流喷头(15)施加高电压，经储液管(19)流入到电雾化喷头(14)内的功能溶液多力复合作用下，于电射流喷头(15)出口处形成精细射流，精细射流沉积到电雾化结构(26)上，形成电射流结构(27)，并与雾化结构(26)结合形成复合结构，工业摄像机(17)用于观测电射流行为及电雾化结构(26)与电射流结构(27)的位置关系。
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