CN114103101A - 一种基于电流体动力效应的复合打印方法 - Google Patents

一种基于电流体动力效应的复合打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于电流体动力效应的复合打印方法，首先将功能溶液输运至喷针内，喷针内的溶液在电场力、流体压力等作用下于喷针口处形成射流或液滴，通过不同喷针的切换和调整工艺参数，可以获得电雾化、电喷打印、电纺丝三种工艺，实现了电雾化、电喷打印和电纺丝三种工艺的在线切换，电雾化层、电喷打印层和电纺丝层三者结合，根据复合结构设计可以实现多种结构的复合制造。本发明的一种基于电流体动力效应的复合打印方法具有低成本、短周期、广适用性的优势特点。

Description

一种基于电流体动力效应的复合打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于电流体动力效应的复合打印方法。
背景技术
由多种材料复合而成的结构，因具有多材料的复合效应，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，这些复合结构可以由膜、纤维、颗粒等组成。然而，目前树脂基复合结构多采用喷射成型、模压成型、拉挤成型等成型方法；金属基复合结构多采用固相成型法和液相成型法。上述制备复合结构的方法存在制备周期长，材料利用率低，工艺成本高等工艺限制。
今年来发展起来的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制备技术，利用外加电场力和流体压力，驱动功能液体喷针口处产生精细射流，这种依靠电流体动力效应在喷针弯液面出“拉”出喷射液滴射流或液滴的方法，具有分辨率高、材料适应性广、生产周期短等优势。另外，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、电喷打印、电纺丝三种形式，用于制备不同形状、尺寸的结构。然而，目前基于电流体动力效应的制备技术多为单一功能，不能在一个装备上同时获得电雾化、电喷打印、电纺丝三种工艺，限制了基于电流体动力效应的制备技术应用范围，难以制备出复合结构。
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，发明一种基于电流体动力效应的复合打印方法，首先将功能溶液输运至喷针内，喷针内的溶液在电场力、流体压力等作用下于喷针口处形成射流或液滴，通过不同喷针的切换和调整工艺参数，可以获得电雾化、电喷打印、电纺丝三种工艺，以制备出复合结构。上述打印过程采用的是一种基于电流体动力效应的复合打印装置，其特征在于，包括电流体动力模块、喷头切换模块、复合结构制备模块；所述的电流体动力模块包括注射泵、连接端口、高压电源、储液仓、储液仓夹具、喷头电极、上位机、光源、缓冲管夹具、缓冲管、连接导管；所述的注射泵通过连接导管将功能溶液输送至缓冲管内；缓冲管固定在缓冲管夹具上，起到稳流的作用；所述的储液仓固定在储液仓夹具上，储液仓顶端有连接端口；所述的缓冲管内的溶液经连接导管、连接端口到达储液仓内；所述的喷头电极位于储液仓上；所述的高压电源的输出端与喷头电极连通；所述的上位机用于控制打印装置；所述的光源位于储液仓的一侧；
所述的喷头切换模块包括转换头锥齿、转换头、电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头、电机锥齿、转换电机、转换电机夹具、纵向支撑梁、横向承重梁、丝杠、电机夹具、交流伺服电机；所述的转换头锥齿位于转换头顶端，且带动转换头转动；所述的转换头下方固定有电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头，且喷头之间夹角均为120°；所述的交流伺服电机固定在电机夹具上；所述的丝杠连接交流伺服电机；所述的横向承重梁安置在纵向支撑梁的轨道上，并与丝杠配合；所述的交流伺服电机带动丝杠转动，并驱动横向承重梁运动；所述的转换电机夹具位于横向承重梁下方；所述的转换电机固定在转换电机夹具上；所述的电机锥齿安装在转换电机的一端，并与转换头锥齿啮合；所述的转换电机带动电机锥齿，并驱动转换头锥齿的转动；
所述的复合结构制备模块包括运动基底、衬底夹具、衬底、电雾化层、电喷打印层、电纺丝层；所述的运动基底上方固定有衬底夹具；所述的衬底固定在衬底夹具上；所述的高压电源通过喷头电极向电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头提供高电压，并在衬底与电雾化喷头或电喷打印喷头或电纺丝喷头之间形成驱动电场；所述的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衬底上，形成电雾化层；所述的电喷打印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层上，形成电喷打印层，并与电雾化层结合形成复合结构；所述的电纺丝喷头内的功能溶液在高压电场的作用下，以纺丝的形式沉积到电喷打印层上，形成电纺丝层；所述的电雾化层、电喷打印层和电纺丝层三者结合在一起形成复合结构；所述的电雾化层、电喷打印层和电纺丝层制备先后顺序不同，可以制备出不同的复合结构。
采用打印装置进行基于电流体动力效应的复合打印，其特征在于，步骤如下：
第一步，输运溶液
利用注射泵的推压力，将功能溶液经过连接导管以固定流速输运至储液仓内，其中，注射泵先通过连接导管将功能溶液输送到缓冲管内，缓冲管起到了缓冲、稳流的作用，在注射泵持续流体压力和溶液自身重力的作用下，缓冲管内的功能溶液以固定流速达到电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头内；
第二步，切换喷头
根据复合结构制备的需要，在线切换电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头；转换电机带动电机锥齿转动，电机锥齿与转换头锥齿啮合传动，转换头锥齿的转动带动电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头之间的切换，切换到工作位置的喷头会与上方的储液仓连通，储液仓内的溶液进入切换后的喷头内；
第三步，制备复合结构
喷头切换后，交流伺服电机带动丝杠转动，驱动横向承重梁运动调节喷头的垂直高度，高压电源调节电压输出值，并通过喷头电极向喷头施加高电压，经缓冲管、储液仓流入到喷头内的功能溶液在多力复合作用下，于喷头出口处形成液滴或射流，根据不同的复合结构，电雾化层、电喷打印层和电纺丝层制备先后顺序不同，进而电雾化喷头、电喷打印喷头、电纺丝喷头的切换顺利也不同；喷头切换后，上位机调节关键工艺参数，控制打印装置，电雾化层、电喷打印层和电纺丝层按照复合结构的不同，依次制备，层层结合，制备出复合结构。
本发明的有益效果为：一种基于电流体动力效应的复合打印方法，获得了电雾化、电喷打印和电纺丝三种射流形态，实现了电雾化、电喷打印和电纺丝三种工艺的在线切换，电雾化层、电喷打印层和电纺丝层三者结合，根据复合结构设计可以实现多种结构的复合制造。本发明的一种基于电流体动力效应的复合打印方法具有低成本、短周期、广适用性的优势特点。
附图说明：
图1是本发明实施例中的一种基于电流体动力效应的复合打印装置简图。
图2是本发明实施例中喷头切换模块的示意图。
图3是本发明实施例中复合结构制备过程的示意图。
图中：1注射泵、2连接端口、3高压电源、4储液仓、5储液仓夹具、6喷头电极、7控制计算机、8光源、9转换头锥齿、10转换头、11运动基底、12衬底夹具、13衬底、14电雾化喷头、15电喷打印喷头、16电纺丝喷头、17电机锥齿、18转换电机、19转换电机夹具、20纵向支撑梁、21横向承重梁、22丝杠、23电机夹具、24交流伺服电机、25缓冲管夹具、26缓冲管、27连接导管、28电雾化层、29电喷打印层、30电纺丝层。
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3。
本实例公开了一种基于电流体动力效应的复合打印方法，首先将功能溶液输运至喷针内，喷针内的溶液在电场力、流体压力等作用下于喷针口处形成射流或液滴，通过不同喷针的切换和调整工艺参数，可以获得电雾化、电喷打印、电纺丝三种工艺，以制备出复合结构。上述打印过程采用的是一种基于电流体动力效应的复合打印装置，其特征在于，包括电流体动力模块、喷头切换模块、复合结构制备模块；所述的电流体动力模块包括注射泵1、连接端口2、高压电源3、储液仓4、储液仓夹具5、喷头电极6、上位机7、光源8、缓冲管夹具25、缓冲管26、连接导管27；所述的注射泵1通过连接导管27将功能溶液输送至缓冲管26内；缓冲管26固定在缓冲管夹具25上，起到稳流的作用；所述的储液仓4固定在储液仓夹具5上，储液仓4顶端有连接端口2；所述的缓冲管26内的溶液经连接导管27、连接端口2到达储液仓4内；所述的喷头电极6位于储液仓4上；所述的高压电源3的输出端与喷头电极6连通；所述的上位机7用于控制打印装置；所述的光源8位于储液仓4的一侧；
具体地讲，所述的喷头切换模块包括转换头锥齿9、转换头10、电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16、电机锥齿17、转换电机18、转换电机夹具19、纵向支撑梁20、横向承重梁21、丝杠22、电机夹具23、交流伺服电机24；所述的转换头锥齿9位于转换头10顶端，且带动转换头10转动；所述的转换头10下方固定有电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16，且喷头之间夹角均为120°；所述的交流伺服电机24固定在电机夹具23上；所述的丝杠22连接交流伺服电机24；所述的横向承重梁21安置在纵向支撑梁20的轨道上，并与丝杠22配合；所述的交流伺服电机24带动丝杠22转动，并驱动横向承重梁21运动；所述的转换电机夹具19位于横向承重梁21下方；所述的转换电机18固定在转换电机夹具19上；所述的电机锥齿17安装在转换电机18的一端，并与转换头锥齿9啮合；所述的转换电机18带动电机锥齿17，并驱动转换头锥齿9的转动；
具体地讲，所述的复合结构制备模块包括运动基底11、衬底夹具12、衬底13、电雾化层28、电喷打印层29、电纺丝层30；所述的运动基底11上方固定有衬底夹具12；所述的衬底13固定在衬底夹具12上；所述的高压电源3通过喷头电极6向电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16提供高电压，并在衬底13与电雾化喷头14或电喷打印喷头15或电纺丝喷头16之间形成驱动电场；所述的电雾化喷头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衬底13上，形成电雾化层28；所述的电喷打印喷头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层28上，形成电喷打印层29，并与电雾化层28结合形成复合结构；所述的电纺丝喷头16内的功能溶液在高压电场的作用下，以纺丝的形式沉积到电喷打印层29上，形成电纺丝层30；所述的电雾化层28、电喷打印层29和电纺丝层30三者结合在一起形成复合结构；所述的电雾化层28、电喷打印层29和电纺丝层30制备先后顺序不同，可以制备出不同的复合结构。
采用上述打印装置进行基于电流体动力效应的复合打印，其特征在于，步骤如下：
第一步，输运溶液
利用注射泵1的推压力，将量程为10-1000μL注射器内的PVP溶液，经过直径为30-500μm连接导管27，以0.001μL/min-2μL/min流速输运至储液仓4内，其中，注射泵1先通过连接导管27将功能溶液输送到容量为30-1000μL的缓冲管26内，缓冲管26起到了缓冲、稳流的作用，在注射泵1持续流体压力和溶液自身重力的作用下，缓冲管26内的功能溶液以固定流速达到内径为50-500μm电雾化喷头14内、内径为10-100μm电喷打印喷头15、内径为30-200μm电纺丝喷头16内；
第二步，切换喷头
根据复合结构层数、结构特征的不同，确定不同的制备工艺方法，并在线切换电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16；额定功率为5-100W的转换电机18带动电机锥齿17转动，电机锥齿17与转换头锥齿9啮合传动，转换头锥齿9的转动带动电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16之间的切换，切换到工作位置的喷头会与上方的储液仓4连通，储液仓4内的溶液进入切换后的喷头内；
第三步，制备复合结构
喷头切换后，交流伺服电机24带动丝杠22转动，驱动横向承重梁21运动调节喷头的垂直高度，最大量程为10000V的高压电源3调节电压输出值，并通过喷头电极6向喷头施加1000-5000V高电压，经缓冲管26、储液仓4流入到喷头内的PVP溶液在多力复合作用下，于喷头出口处形成直径为40nm-200μm的液滴或射流，根据不同的复合结构，电雾化层28、电喷打印层29和电纺丝层30制备先后顺序不同，进而电雾化喷头14、电喷打印喷头15、电纺丝喷头16的切换顺利也不同；喷头切换后，上位机7调节关键工艺参数，控制打印装置，电雾化层28、电喷打印层29和电纺丝层30按照复合结构的不同，依次制备，层层结合，制备出复合结构。

Claims (2)

1.一种基于电流体动力效应的复合打印方法，其特征在于，采用的打印装置包括电流体动力模块、喷头切换模块、复合结构制备模块；所述的电流体动力模块包括注射泵(1)、连接端口(2)、高压电源(3)、储液仓(4)、储液仓夹具(5)、喷头电极(6)、上位机(7)、光源(8)、缓冲管夹具(25)、缓冲管(26)、连接导管(27)；所述的注射泵(1)通过连接导管(27)将功能溶液输送至缓冲管(26)内；缓冲管(26)固定在缓冲管夹具(25)上，起到稳流的作用；所述的储液仓(4)固定在储液仓夹具(5)上，储液仓(4)顶端有连接端口(2)；所述的缓冲管(26)内的溶液经连接导管(27)、连接端口(2)到达储液仓(4)内；所述的喷头电极(6)位于储液仓(4)上；所述的高压电源(3)的输出端与喷头电极(6)连通；所述的上位机(7)用于控制打印装置；所述的光源(8)位于储液仓(4)的一侧；
所述的喷头切换模块包括转换头锥齿(9)、转换头(10)、电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)、电机锥齿(17)、转换电机(18)、转换电机夹具(19)、纵向支撑梁(20)、横向承重梁(21)、丝杠(22)、电机夹具(23)、交流伺服电机(24)；所述的转换头锥齿(9)位于转换头(10)顶端，且带动转换头(10)转动；所述的转换头(10)下方固定有电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)，且喷头之间夹角均为120°；所述的交流伺服电机(24)固定在电机夹具(23)上；所述的丝杠(22)连接交流伺服电机(24)；所述的横向承重梁(21)安置在纵向支撑梁(20)的轨道上，并与丝杠(22)配合；所述的交流伺服电机(24)带动丝杠(22)转动，并驱动横向承重梁(21)运动；所述的转换电机夹具(19)位于横向承重梁(21)下方；所述的转换电机(18)固定在转换电机夹具(19)上；所述的电机锥齿(17)安装在转换电机(18)的一端，并与转换头锥齿(9)啮合；所述的转换电机(18)带动电机锥齿(17)，并驱动转换头锥齿(9)的转动；
所述的复合结构制备模块包括运动基底(11)、衬底夹具(12)、衬底(13)、电雾化层(28)、电喷打印层(29)、电纺丝层(30)；所述的运动基底(11)上方固定有衬底夹具(12)；所述的衬底(13)固定在衬底夹具(12)上；所述的高压电源(3)通过喷头电极(6)向电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)提供高电压，并在衬底(13)与电雾化喷头(14)或电喷打印喷头(15)或电纺丝喷头(16)之间形成驱动电场；所述的电雾化喷头(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衬底(13)上，形成电雾化层(28)；所述的电喷打印喷头(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层(28)上，形成电喷打印层(29)，并与电雾化层(28)结合形成复合结构；所述的电纺丝喷头(16)内的功能溶液在高压电场的作用下，以纺丝的形式沉积到电喷打印层(29)上，形成电纺丝层(30)；所述的电雾化层(28)、电喷打印层(29)和电纺丝层(30)三者结合在一起形成复合结构；所述的电雾化层(28)、电喷打印层(29)和电纺丝层(30)制备先后顺序不同，可以制备出不同的复合结构。
2.采用权利要求1所述的打印装置进行基于电流体动力效应的复合打印，其特征在于，步骤如下：
第一步，输运溶液
利用注射泵(1)的推压力，将功能溶液经过连接导管(27)以固定流速输运至储液仓(4)内，其中，注射泵(1)先通过连接导管(27)将功能溶液输送到缓冲管(26)内，缓冲管(26)起到了缓冲、稳流的作用，在注射泵(1)持续流体压力和溶液自身重力的作用下，缓冲管(26)内的功能溶液以固定流速达到电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)内；
第二步，切换喷头
根据复合结构制备的需要，在线切换电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)；转换电机(18)带动电机锥齿(17)转动，电机锥齿(17)与转换头锥齿(9)啮合传动，转换头锥齿(9)的转动带动电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)之间的切换，切换到工作位置的喷头会与上方的储液仓(4)连通，储液仓(4)内的溶液进入切换后的喷头内；
第三步，制备复合结构
喷头切换后，交流伺服电机(24)带动丝杠(22)转动，驱动横向承重梁(21)运动调节喷头的垂直高度，高压电源(3)调节电压输出值，并通过喷头电极(6)向喷头施加高电压，经缓冲管(26)、储液仓(4)流入到喷头内的功能溶液在多力复合作用下，于喷头出口处形成液滴或射流，根据不同的复合结构，电雾化层(28)、电喷打印层(29)和电纺丝层(30)制备先后顺序不同，进而电雾化喷头(14)、电喷打印喷头(15)、电纺丝喷头(16)的切换顺利也不同；喷头切换后，上位机(7)调节关键工艺参数，控制打印装置，电雾化层(28)、电喷打印层(29)和电纺丝层(30)按照复合结构的不同，依次制备，层层结合，制备出复合结构。
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