CN117655356A - 应用于3d打印的空间电场控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于3D打印的空间电场控制装置，通过对依次放置的一顶部电极板、一或多个设有孔位的中间电极板以及一底部电极板改变电势、相对移动位置和极板上孔位的大小、数目、形状和分布来构建打印所需的聚焦电场，此电场对其中的带电物质具有汇聚、发散、筛选、分离功能。本发明通过对极板的电势设置、位置安置和极板上的孔位分布即可调整空间电场强度和电力线形状，从而实现对3D打印特征尺寸和打印位点的调控，具有灵活性高，操作简单，可控性强等优点，另外，本发明可跨尺度应用，依助于对应装置的尺度，本发明可以3D打印厘米到纳米级的结构。本发明还可应用微纳处理加工、分离工程、信号处理等领域，实现聚束、信号变化、分散或筛选等功能。

Description

应用于3D打印的空间电场控制装置
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种应用于3D打印的空间电场控制装置。
背景技术
3D打印技术作为新世纪的高端制造技术，其无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比通过摒弃生产线而降低了成本，大幅减少材料浪费的同时还能制作出传统生产技术无法制造出的外形。
常见的3D打印技术包括SLA(光固化光敏树脂成型)、FDM(熔融挤压堆积成型)、3DP(三维喷涂粘结成型)、SLS(选择性激光烧结成型)、Ployjet(喷墨成型)等，这几种主流的3D打印技术大多选用喷嘴，激光烧结等有关技术实现对3D打印物件的像素堆叠，这些原理对材料的要求苛刻，如材料的粘性、熔点和相分离特性等，极大的限制了3D打印的材料多样性，特别是金属与合金材料，目前的3D技术无法进行多金属材料的跨尺度打印，尤其是微纳3D打印领域，可商业化的微纳尺度的金属3D打印机几乎不存在。
基于上述问题，近期兴起的电场控制3D打印技术逐渐兴起，如利用电泳和静电喷流等方式通过将喷嘴内的带电物质拉出，在基底上组装形成三维结构的微纳3D打印技术，虽然能对一些金属材料进行微纳尺度的3D打印，但是其限于喷嘴的限制，仍然对材料和尺寸有很大的限制。而最近报道的一种利用通过电场构建虚拟打印喷嘴的3D打印技术直接解决了上述问题，其通过负载于绝缘材料表面的电荷实现对电场线的汇聚，从而对带电物质进行打印，此方法虽已能制备简单的结构，但是其可控性差，打印尺寸的调节依靠表面电荷的自调节(电荷的补充和自然流失)机制，可调打印尺寸范围小，仅可适用于微纳领域，并且还存在表面污染破坏打印等情况。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于3D打印的空间电场控制装置，用于解决现有技术中以上出现的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用于3D打印的空间电场控制装置，所述结构包括：依次放置的一顶部电极板、一或多个中间电极板以及一底部电极板；其中，各中间电极板分别至少开设一孔位，以供变形后的电场线穿过，从而形成带电物质的运动通道；各电极板分别对应有施加在其上的电势；并且其中，通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式控制带电物质束流的运动，通过构建的空间电场定点迁移带电物质在所述底部电极板的特定位置，从而控制3D打印的特征尺寸和打印位点。
于本发明的一实施例中，通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中的一种或多种状态调整。
于本发明的一实施例中，能通过调整所述相对移动位置对带电物质进行运动路径调整；其中，所述相对移动位置包括：各电极板之间的相对角度位置以及各电极板之间的间距位置；并且其中，能通过调整各电极板之间的相对角度位置，来调整改变由带电物质构成的带电物质束流的弯曲状态；能通过调整各电极板之间的间距位置来调整所述带电物质束流的尺寸。
于本发明的一实施例中，能通过调整各电极板所施加的电势来调整带电物质束流的形状、方向、尺寸以及强度，对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中一种或多种的状态调整。
于本发明的一实施例中，能通过将各电极板所施加的电势调整为汇聚电场的电势关系对带电物质进行汇聚；能通过将各电极板所施加的电势调整为分散电场的电势关系对带电物质分散；能通过将各电极板所施加的电势调整为颗粒筛选电场的电势关系对带电物质进行筛选；能通过将各电极板所施加的电势调整为分离电场的电势关系进行带电物质分离；能通过将各电极板所施加的电势调整为对应带电物质达到特定信号的电势关系，从而由对应传感器检测。
于本发明的一实施例中，所述带电物质包括：通过各种方式带电的所有金属和合金、半导体以及部分绝缘体材料组成的微米及纳米颗粒、电子、质子和离子中的一种或多种。
于本发明的一实施例中，还能通过调整中间电极板的个数和/或形状调整空间电场分布，控制带电物质沿着预设电力线形状运动。
于本发明的一实施例中，能通过调整所述中间电极板的孔径大小、孔位个数、孔位位置以及孔位形状中的一种或多种控制带电物质束流的尺寸和形状，从而操控带电物质束流的定向迁移。
于本发明的一实施例中，能通过在所述中间电极板仅开设的一个孔位进行电场控制的单位点打印；能通过在所述中间电极板开设的多个孔位进行电场控制的多位点同步打印。
于本发明的一实施例中，所述空间电场控制装置的各极板间的电介质为液体、气体以及真空中的一种。
如上所述，本发明的一种应用于3D打印的空间电场控制装置，具有以下有益效果：本发明通过对依次放置的一顶部电极板、一或多个设有孔位的中间电极板以及一底部电极板改变电势、相对移动位置和极板上孔位的大小、数目、形状和分布来构建打印所需的聚焦电场，此电场对其中的带电物质具有汇聚、发散、筛选、分离功能。本发明通过对极板的电势设置、位置安置和极板上的孔位分布即可调整空间电场强度和电力线形状，从而实现对3D打印特征尺寸和打印位点的调控，具有灵活性高，操作简单，可控性强等优点，另外，本发明可跨尺度应用，依助于对应装置的尺度，本发明可以3D打印厘米到纳米级的结构。本发明还可应用微纳处理加工、分离工程、信号处理等领域，实现聚束、信号变化、分散或筛选等功能。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的电场构建示意图。
图3显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的电场构建示意图。
图4显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的立体结构示意图。
图5显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的截面示意图。
图6显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的电场构建示意图。
图7显示为本发明一实施例中的应用于阵列化3D打印的空间电场控制装置的立体结构示意图。
图8显示为本发明一实施例中的应用于阵列化3D打印的空间电场控制装置的截面示意图。
图9显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的立体结构示意图。
图10显示为基于本发明制作的图9所示结构的3D打印原型机制备的阵列3D纳米结构的SEM图片。
图11显示为本发明一实施例中的应用极板电势控制空间电场进行颗粒筛选的立体结构示意图。
图12显示为本发明一实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的截面示意图。
图13显示为本发明一实施例中的带电纳米颗粒筛选结果图。
图14显示为本发明一实施例中的带电纳米颗粒筛选结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
本发明提供一种应用于3D打印的空间电场控制装置，通过对依次放置的一顶部电极板、一或多个设有孔位的中间电极板以及一底部电极板改变电势、相对移动位置和极板上孔位的大小、数目、形状和分布来构建打印所需的聚焦电场，此电场对其中的带电物质具有汇聚、发散、筛选、分离功能。本发明通过对极板的电势设置、位置安置和极板上的孔位分布即可调整空间电场强度和电力线形状，从而实现对3D打印特征尺寸和打印位点的调控，具有灵活性高，操作简单，可控性强等优点，另外，本发明可跨尺度应用，依助于对应装置的尺度，本发明可以3D打印厘米到纳米级的结构。本发明还可应用微纳处理加工、分离工程、信号处理等领域，实现聚束、信号变化、分散或筛选等功能。
下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
如图1所示，展示本发明实施例中的应用于3D打印的空间电场控制装置的结构示意图。
所述装置包括：依次放置的一顶部电极板1、一或多个中间电极板2(图中仅以3个为例)以及一底部电极板3；其中，所述中间电极板2位于所述顶部电极板1以及底部电极板3之间；各中间电极板2分别至少开设一孔位21(图中仅以1个为例)，以供变形电场穿透，从而形成带电物质的运动通道(小于孔径)；所述顶部电极板1、中间电极板2以及底部电极板3均为通电电极板，各电极板分别对应有施加在其上的电势。需要说明的是，所述顶部电极板1以及底部电极板3不限于上下放置，还可以左右放置。
并且其中，通过改变通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式控制带电物质束流的运动，通过构建的空间电场定向迁移带电物质在所述底部电极板的特定位置，从而控制3D打印的特征尺寸和打印位点。
在一实施例中，能通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式对带电物质束流尺寸以及降落位点进行调整；进一步的对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中的一种或多种状态调整。可以实现对带电物质的汇聚、发散、筛选、分离以及路径改变等功能，只需通过简单的电势值调整、极板位置以及极板孔位分布的更改即可在上述功能中进行切换和调节，具有极高的灵活性和可操作性。
在一具体实施例中，所述带电物质包括：通过各种方式带电的所有金属和合金、半导体以及部分绝缘体材料组成的微米及纳米颗粒、电子、质子和离子中的一种或多种。
为了更好的说明控制带电物质的运动，以下描述以改变各电极板所施加的电势控制电场的特定变形，然后定向迁移带电物质的运动的具体内容；
即能通过调整各电极板所施加的电势进行对能通过调整各电极板所施加的电势来调整所述带电物质束流的形状、方向、尺寸、以及强度，即对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中一种或多种的状态调整。
需要说明的是，可在其他条件不变的情况下，仅通过调整各电极板所施加的电势进行对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整；也可结合其他条件的改变，通过调整各电极板所施加的电势进行对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整。
举例来说，其他条件包括：相对移动位置、极板个数与形状以及极板开孔个数、孔径大小、位置与形状等因素。
在一具体实施例中，各电极板所施加的电势构成电势关系；能通过将各电极板所施加的电势调整为汇聚电场的电势关系对带电物质进行汇聚；能通过将各中间电极板所施加的电势调整为分散电场的电势关系对带电物质分散；举例来说，如图2a所示通过五个通电极板进行电势调节，即可得到各种具有不同功能的电场，其中间三个为中间极板，作为带电物质的运动通道，中间三个极板的电势递减或递增，可以实现多级带电物质汇聚或多级分散功能。其中，所述汇聚电场的电势关系以及分散电场的电势关系和分别对应的各电极板施加的电势与所需汇聚与分散的强度相关。
能通过将各中间电极板所施加的电势调整为分离电势关系进行带电物质分离；例如如图2b、图2c以及图2d中所示，通过将中间电极板电势进行一定的更改后，可以在一中间极板的下方区域得到一个膨大的带电物质束流区域，这个区域可以对带电物质进行重排分离，重排机制取决于带电物质的属性，最后可在底部电极板上得到具有特定分布的带单物质。其中，所述分离电势关系以及对应的各电极板施加的电势与所需分离的带电粒子的属性相关。
能通过将各中间电极板所施加的电势调整为颗粒筛选电势关系对带电物质进行筛选；举例来说，如图2e以及图2f中所示，更改各极板的电势，可以使得部分电力线降落至中间极板，从而达到颗粒筛选作用。其中，所述颗粒筛选电势关系以及对应的各电极板施加的电势与所需筛选的颗粒的属性相关。
能通过将各中间电极板所施加的电势调整为对应信号变化作为带电物质达到特定信号的电势关系，从而由对应传感器检测；例如调整为带电物质达到信号接受传感器的数目，从而实现信号的增强和削弱。其中，所述对应信号变化作为带电物质达到特定信号的电势关系以及对应的各电极板施加的电势与信号接受传感器的数目相关。
需要说明的是，所述汇聚电场的电势关系、分散电场的电势关系、颗粒筛选电场的电势关系、分离电场的电势关系以及对应信号变化作为带电物质达到特定信号的电势关系通过静电场计算即可获得，具有精确的理论模型指导。也就是说所述汇聚电场的电势关系、分散电场的电势关系、颗粒筛选电场的电势关系、分离电场的电势关系以及对应信号变化作为带电物质达到特定信号的电势关系所对应的各电极板所施加的电势大小根据具体情况基于静电场电势计算方式计算获得。例如具体情况包括所需的电场强度、各极板之间的距离，极板厚度等因素。
在一具体实施例中，采用公式计算确定所述汇聚电场的电势关系、分散电场的电势关系、颗粒筛选电场的电势关系、分离电势电场的关系以及对应信号变化作为带电物质达到特定信号的电势关系所对应的各电极板所施加的电势大小，基本原理为电场强度通量的高斯定理：
由此公式可以得到多极板控制中各相邻极板间带电物质束流尺寸的对应关系，其公式如下：
其中，V1、V2…Vn为各平行极板上的电势h12、h23…hn(n-1)为各极板之间的距离,R12、R23…Rn(n-1)为各极板之间带电物质束流的平均半径。
特别的，由上述公式计算可得三极板结构下，聚焦带电物质束流半径为：
其中Rh为达到下极板的带电物质束流半径，Rg为与中间极板孔径有关的参数，Vt、Vm…Vb分别是上、中、下三个极板的电势，hb和ht分别为上中极板的间距和中下极板的间距。在一实施例中，所述带电物质分离包括：不同质量、密度、电位移、带电量以及带电极性中的一种或多种带电物质的分离。具体的，通过基于质量、密度、电位移、带电量以及带电极性等属性信息设置重排机制来对对应的带电物质进行分离。
为了更好的说明控制带电物质的运动，以下描述以改变所述顶部电极板、各中间电极板以及底部电极板的相对移动位置控制带电物质的运动的具体内容；
即能通过调整所述相对移动位置对带电物质进行运动路径调整；
需要说明的是，可在其他条件不变的情况下，仅通过调整相对移动位置进行对带电物质进行运动路径调整；也可结合其他条件的改变，通过调整相对移动位置共同进行对带电物质进行运动路径调整。
举例来说，其他条件包括：各电极板施加的电势、极板个数与形状以及极板开孔个数与形状等因素。
在一具体实施例中，所述相对移动位置包括：各电极板之间的相对角度位置以及各电极板之间的间距位置；
并且其中，如图2所示，在其他条件不变的情况下，能通过调整各电极板之间的相对角度位置，来调整改变由带电物质构成的带电物质束流的弯曲状态；其中，角度越大，弯曲程度越大。在其他条件不变的情况下，能通过调整各电极板之间的间距位置，来调整所述带电物质束流的尺寸，以调整所述带电物质束流的电场强度；其中，间距越长所述带电物质束流的延伸寿命越长。
为了更好的说明控制带电物质的运动，以下描述以改变中间电极板的个数以及形状控制带电物质的运动的具体内容；
能通过调整中间电极板的个数以及形状控制带电物质的运动；
需要说明的是，可在其他条件不变的情况下，仅通过调整调整中间电极板的个数和/或形状进行对带电物质进行运动路径调整；也可结合其他条件的改变，通过调整中间电极板的个数和/或形状共同进行对带电物质进行运动路径调整。
举例来说，对应改变个数的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板形状以及极板开孔个数、位置以及形状等因素；对应改变形状的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板个数以及极板开孔个数、孔径大小、位置以及形状等因素。
如图2所示，能通过增加中间电极板的个数来调整带电物质的运动路径以及所述带电物质束流的形状，极板个数多可调节的位置也相对多一些；需要说明的是，这里增加的中间电极板可以是开孔相同的也可以是开孔不同的电极板。
如图3所示，能通过改变中间电极板的形状来调整带电物质的运动路径以及所述带电物质束流的形状。举例来说，若为凹面极板则可获得聚束的带电物质束流，若为凸面极板则可获得发散的带电物质束流。其中，所述极板的形状可以为矩形，球面，椭球以及各种不规则三维形状。
为了更好的说明控制带电物质的运动，以下描述以改变中间电极板的开孔个数、位置以及形状控制带电物质的运动的具体内容；
能通过调整中间电极板的孔径大小、开孔个数、位置以及孔位形状一种或多种控制带电物质束流的尺寸聚焦电场线的粗细和形状，从而操控带电物质的束流的定向迁移；
需要说明的是，可在其他条件不变的情况下，仅通过调整中间电极板的孔径大小、开孔个数、位置以及孔位形状中的一种进行对带电物质进行运动路径调整；也可结合其他条件的改变，通过调整调整中间电极板的孔径大小、开孔个数、位置以及孔位形状中的一种共同进行对带电物质进行运动路径调整。
举例来说，对应改变孔径大小的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板个数与形状以及极板开孔位置、开孔个数与孔位形状等因素；对应改变开孔个数的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板个数与形状以及极板开孔位置、孔径大小与孔位形状等因素；对应改变开孔位置的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板个数与形状及极板孔径大小、开孔个数和孔位形状等因素；对应改变开孔形状的其他条件包括：相对移动位置、各电极板施加的电势、极板个数与形状及极板孔径大小、开孔个数和位置等因素。
在一具体实施例中，如图2b以及图2c所示，还能通过在所述中间电极板仅开设的一个孔位汇聚带电物质；进行电场控制的单位点打印；通过在所述中间电极板开设的多个孔位分流带电物质，进行电场控制的多位点同步打印。优选的通过更改孔的数目，获得阵列孔位来实现阵列化打印，例如，设有两个孔位，则将带电物质束流分为两束。孔的数目可为1～10000000。在一具体实施例中，如图2c以及图3d所示，还能通过改变孔位的位置来调整带电物质的运动路径，例如若孔位向外，则带电物质的运动路径也向外延伸。还能通过单孔进行打印以及多孔进行多位点同步打印。
在一具体实施例中，还能通过改变孔位的形状来调整所述带电物质束流的形状。所述孔位的形状可以为为圆孔、方孔、多边形孔等形状。
在一实施例中，所述通电极板所在的环境为真空，液相和气相中；优选的，所述空间电场控制装置设于一常压腔中。
在一实施例中，所述电极板的电势范围为-100kV～100kV。
在一实施例中，所述各电极板的间距范围为100nm～1m，各最近邻极板的倾斜角度范围为0°～90°。
在一实施例中，为了能够可视化电力线形状，选取等离子火花放电产生的带电纳米颗粒作为带电物质，运载带电纳米颗粒的气流为2L/min的高纯N2。
为了更好的描述应用于3D打印的空间电场控制装置，提供以下具体实施例进行描述。
实施例1：一种应用于3D打印的空间电场控制装置。
如图4以及图5所示，所述装置的主体结构包括：三个外轮廓形状一致的圆片金属极板，并且三个极板的位置在同一中垂线上，并选取周围环境为绝缘材料，用以确保空间电场的计算结果与实际情况一致；其中一个带有圆孔通道，从上到下电势分别固定为V1、V2和V3，金属电极嵌在绝缘的腔体上，整个腔体左右方向为带电物质运动通道，此装置可以构建一种类似漏斗状的聚焦电场，其空间场强如图6所示。
其中，上下金属圆片极板的直径为20mm，中间开孔金属极板的外径为20mm，内径为5mm，上极板与中间开孔极板距离为10mm，中间极板与下极板的的距离为1mm，金属极板厚度为1mm。
通过对三个极板的电势进行调整，可以在下极板上得到不同直径的圆形沉积斑，其结果如表1所示：
表1.通过三极板的电势控制单孔聚焦电力线形状的实验结果
上极板电势/V 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
中间极板电势/V 350 300 200 150 100 0 -200 -400 -800 -1600 -2400 -3200 -1600 -2000
下极板电势/V -1450 -1500 -1600 -1650 -1700 -1800 -2000 -2200 -2600 -3400 -4200 -5000 -2000 -2000
孔直径/mm 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
沉积斑点直径/mm 0.58 0.64 0.84 1.24 1.32 1.65 1.96 1.89 2.11 2.41 2.61 2.72 3.3 5.2
通过将沉积斑点直径与开孔直径对比可知，通过电势对中间极板上下方场强进行调节，可以实现不同的聚焦效果，其聚焦直径比可达10倍，束流横截面收束可达100倍，此外，上述电势所能达到的聚焦能力并非极限，此方法所得聚焦电力线宽度理论上无下限。
实施例2：一种应用于阵列化3D打印的空间电场控制装置。
如图7以及图8所示，所述装置的主体结构包括：金属极板、铜网、导电基底和绝缘腔体，其中铜网为具有阵列圆孔图案，从上到下，金属极板、铜网和导电基底的电势分别固定为V1、V2和V3，整个腔体左右方向为带电物质运动通道，此装置可以构建一种类似筛斗状的聚焦电场。
此实例所使用的金属极板和导电基底地面为5mm×5mm，厚度为0.5mm，铜网的厚度为20μm，圆孔直径100μm，孔间距为150μm，图案阵列为10×10，上极板与铜网垂直间距5mm，铜网与基底间距为350μm、150μm和50μm。
通过对属极板、铜网、导电基底的电势进行调整，可以在导电基底得到不同直径的圆形沉积斑，其结果如表2所示：
表2.通过三极板的电势控制孔阵列聚焦电力线形状的实验结果
上极板电势/V 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
中间极板电势/V 85 75 50 0 -50 -100 -200 -100 -100 -650 -1950 -2600 -650 -1950
下极板电势/V -615 -625 -650 -700 -600 -600 -1200 -1100 -600 -1650 -2950 -3600 -750 -2250
TEM铜网与基底间距/μm 150 150 150 150 50 50 350 350 350 350 350 350 350 350
阵列孔直径/μm 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
阵列斑点直径/mm 7.7 13.7 14.45 20.7 27.72 29.95 50.47 41.84 67.46 69.3 72.4 77.43 117.4 109.3
通过将阵列沉积斑点直径与阵列开孔直径对比可知，通过电势对铜网上下方场强或各通电势极板间距进行调节，可以实现不同的聚焦效果，其聚焦直径比可达12倍，束流横截面收束可达150倍，此外，上述电势所能达到的聚焦能力并非极限，此方法所得聚焦电力线宽度理论上无下限。
实施例3：一种应用于微纳阵列化3D打印的空间电场控制装置。
如图9所示，所述装置的主体结构包括：一个纳米移动台，用于负载导电基底运动实现3D打印功能，三个可固定电势的金属极板，从上至下电势分别为V1、V2和V3，其中多孔阵列极板的图案为圆孔，孔径为3μm，孔间距为10或15μm，绝缘腔体通道高度和宽度都为5mm。
其中带电物质为等离子火花放电产生制备的带电纳米颗粒，运载带电纳米颗粒的气流为2L/min的高纯N2。
图10所示的阵列微纳3D结构使用上述装置打印制得，打印时长约1h，结构尺寸约500nm。
上述结果说明此电场控制方法在纳米级同样可行，并且可应用于实际的3D打印设计中。
实施例4：一种利用多极板空间电场的颗粒筛选装置。
如图11以及图12所示，所述装置的主体结构包括：多个环形金属极板和绝缘腔体，其中环形金属极板嵌在腔体内部，极板之间间距为5mm，环形极板的外径为7mm，内径为3mm，从右到左电势分别固定为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7和V8，整个腔体左右方向为带电物质运动通道，实现对经过通道的带电物质的筛选功能。
图13和图14为通过此装置进行的颗粒粒径分布调整的实验结果，图13和图14使用的不同火花参数，其产生的原始带电纳米颗粒源具有不同的粒径分布。图中带电颗粒粒径分布由扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS)测得，可以看见，在通过逐级附加过滤电场后，颗粒的浓度有明显降低，说明部分具有特定电位移的带单颗粒被装置筛选过滤。
由以上实施例可知，本发明对带电物质实现的聚焦功能，在不改变整体结构下也可实现分离、发散或阻挡带电物质功能。当通道同时经过带正负电荷的带电物质时，此装置即可实现对正电荷或负电荷的分离“抽取”；另外，通过反转电场方向即可实现对原本聚焦的带单物质的发散效果，将带电物质从下极板和中间极板的位置注入，或将其从聚焦电力线位置释放，即可实现对此带电物质的喷射发散；基于同样的原理，其可以简单的实现对带单一极性电荷的带电物质的阻隔功能。基于上述功能，此方法可以用于带电纳米颗粒的阵列化增材制造，电信号增强与处理，带电颗粒或电荷筛选等应用
综上所述，本发明应用于3D打印的空间电场控制装置，通过对依次放置的一顶部电极板、一或多个设有孔位的中间电极板以及一底部电极板改变电势、相对移动位置和极板上孔位的大小、数目、形状和分布来构建打印所需的聚焦电场，此电场对其中的带电物质具有汇聚、发散、筛选、分离功能。本发明通过对极板的电势设置、位置安置和极板上的孔位分布即可调整空间电场强度和电力线形状，从而实现对3D打印特征尺寸和打印位点的调控，具有灵活性高，操作简单，可控性强等优点，另外，本发明可跨尺度应用，依助于对应装置的尺度，本发明可以3D打印厘米到纳米级的结构。本发明还可应用微纳处理加工、分离工程、信号处理等领域，实现聚束、信号变化、分散或筛选等功能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，所述装置包括：
依次放置的一顶部电极板、一或多个中间电极板以及一底部电极板；
其中，各中间电极板分别至少开设一孔位，以供变形后的电场线穿过，从而形成带电物质的运动通道；各电极板分别对应有施加在其上的电势；
并且其中，通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式控制带电物质束流的形状变化，通过构建的空间电场定点迁移带电物质到所述底部电极板的特定位置，从而控制3D打印的特征尺寸和打印位点。
2.根据权利要求1中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过改变各中间电极板与所述顶部电极板以及底部电极板的相对移动位置、各电极板所施加的电势以及中间极板上孔位分布中的一种或多种方式对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中的一种或多种状态调整。
3.根据权利要求2中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过调整所述相对移动位置对带电物质进行运动路径调整；其中，所述相对移动位置包括：各电极板之间的相对角度位置以及各电极板之间的间距位置；
并且其中，能通过调整各电极板之间的相对角度位置，来调整改变由带电物质构成的带电物质束流的弯曲状态；能通过调整各电极板之间的间距位置来调整所述带电物质束流的尺寸。
4.根据权利要求2中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过调整各电极板所施加的电势来调整带电物质束流的形状、方向、尺寸以及强度，对带电物质进行汇聚状态调整、分散状态调整、筛选状态调整、分离状态调整、信号强度变化调整以及运动路径调整中一种或多种的状态调整。
5.根据权利要求4中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过将各电极板所施加的电势调整为汇聚电场的电势关系对带电物质进行汇聚；能通过将各电极板所施加的电势调整为分散电场的电势关系对带电物质分散；能通过将各电极板所施加的电势调整为颗粒筛选电场的电势关系对带电物质进行筛选；能通过将各电极板所施加的电势调整为分离电场的电势关系进行带电物质分离；能通过将各电极板所施加的电势调整为对应带电物质达到特定信号的电势关系，从而由对应传感器检测。
6.根据权利要求1中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，所述带电物质包括：通过各种方式带电的所有金属和合金、半导体以及部分绝缘体材料组成的微米及纳米颗粒、电子、质子和离子中的一种或多种。
7.根据权利要求1中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，还能通过调整中间电极板的个数和/或形状调整空间电场分布，控制带电物质沿着预设电力线形状运动。
8.根据权利要求1中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过调整所述中间电极板的孔径大小、孔位个数、孔位位置以及孔位形状中的一种或多种控制带电物质束流的尺寸和形状，从而操控带电物质束流的定向迁移。
9.根据权利要求8中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，能通过在所述中间电极板仅开设的一个孔位进行电场控制的单位点打印；能通过在所述中间电极板开设的多个孔位进行电场控制的多位点同步打印。
10.根据权利要求1中所述的应用于3D打印的空间电场控制装置，其特征在于，所述空间电场控制装置的各极板间的电介质为液体、气体以及真空中的一种。
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