CN208376000U - 一种集成喷头电场驱动喷射微纳3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置，其供料模块、送料模块、打印喷头集成一体，能够现任意形状成形，在任意材质的基板上制造3D结构，同时打印高度几乎没有限制，打印过程中供料稳定和连续，其技术方案为：包括底座，底座上固定Y向位移台，Y向位移台与X向位移台连接，X向位移台与Z向位移台连接，Z向位移台固定设置打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，送料模块与供料模块连接，供料模块通过气压管路与无油静音空压机连接，气压管路设置精密调压阀；供料模块包括料筒，料筒底部设置供料管路与送料模块连通；送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接。

Description

一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造和微纳3D打印技术领域，特别是涉及一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置。

背景技术

材料喷射沉积3D打印是基于微滴/微丝(纤维)喷射原理选择性沉积成形材料的一种增材制造方法，目前国际上已经提出多种材料喷射沉积3D打印技术，主要包括喷墨(热泡或者压电)打印、气溶胶喷射(aerosol jet)、聚合物喷射(PolyJet)、纳米颗粒喷射技术(NanoParticleJetting)等。但是，这些传统材料喷射沉积成形材料受限，通常要求打印材料的粘度较低(通常小于1000cP)，可供打印材料种类有限，打印分辨率不高，目前还难以实现亚微尺度分辨率的打印(传统喷墨打印图形的最小线宽一般大于20微米)，尤其是还难以实现宏/微跨尺度制造，以及难以实现多材料多尺度一体化3D打印。在异质材料多层次复杂三维结构制造方面面临着巨大的挑战。

电流体动力喷射打印(Electrohydrodynamic Jet Printing，E-jet printing)亦称为电喷印，是近年由Park和Rogers等提出和发展的一种基于电流体动力学(EHD)的微液滴喷射成形沉积技术。与传统喷墨打印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，电流体动力喷射打印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。其基本原理是在导电喷嘴(第一电极)和导电基板(第二电极)之间施加高压脉冲电源，利用在喷嘴和基板之间形成的强电场力将流体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的流体会受到电致切应力的作用，当局部电荷斥力超过液体表面张力后，带电流体从喷嘴处喷射，形成极细的射流(由于是从尖端发射出的射流，射流直径远小于喷嘴直径，因此形成微液滴尺寸远远小于喷嘴尺寸，通常比喷嘴尺寸小1-2个数量级)，微液滴喷射沉积在打印床之上，并通过热/光等予以固化，逐层叠加制造实现复杂三维结构的低成本制造。电流体动力喷射打印的分辨率不受喷嘴尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率微纳结构的制造，而且可供打印的材料种类广泛，并且能够实现高粘度材料的打印，打印材料的种类有了很大的拓展。该技术已经被应用于柔性电子、生物医疗、组织工程、光电子、微纳光学、复合材料、高清显示等诸多领域，显示了较好的工业化应用前景。

与其它材料喷射沉积3D打印技术相比，尽管电流体动力喷射打印具有打印精度高、成本低等非常突出和显著的优势。但是，由于电流体动力喷射在实现3D打印方面仍然存在诸多的不足和局限性，面临着一些难以解决的问题，主要包括：(1)基板(基材)材料受限，基板(基材)作为第二电极，通常要求衬底具有导电性，在非导电衬底上打印时面临诸多限制，需要一些特殊处理；(2)成形件(打印件)打印高度受限制，由于导电喷嘴与导电衬底之间距离的限制，电喷印打印的高度一般限定在3毫米以下，难以实现大尺寸零件和宏/微跨尺度结构的制造。这是因为电喷印形成稳定锥射流的电场力会随着导电衬底和导电喷头之间的距离增大而减弱，当超过一定高度(～3mm)后，电场力不足以维持稳定锥射流的产生，无法实现继续打印。同时随着打印高度不断提升和变化，需要不断调整参数来提高电场力以保证稳定锥射流来实现打印，这在实际打印过程中是难以实现的，因此电喷印无法真正实现宏/微跨尺度制造，真正的大尺寸三维结构制造；(3)对于衬底(已成形表面)的形貌和平整度要求较高，为保证电场稳定，电喷印通常只能在水平导电衬底上方一定高度内进行，既无法在已有实物(超过3mm)表面打印，也无法在非平整、曲面等衬底上打印，限制了在许多方面的应用，尤其是复杂三维结构的打印；(4)打印稳定性差。如果打印材料是导电性材料(例如金属材料)，由于距离导电衬底距离很近，容易出现短路和放电现象，导致打印中断，无法实现连续稳定的打印。此外，非导电材料打印到导电衬底上，将引起电场的变化，影响打印精度和稳定性。因此，电流体动力喷射打印在实现3D打印方面面临很多不足和局限性。

为了克服电流体动力喷射在3D打印等方面的不足和局限性，近年开发了电场驱动喷射沉积3D打印，但是，他们存在以下不足和局限性：(1)由于都采用供料模块和打印喷头分离，采用气压控制单元控制送料筒内打印材料的供给，导致供料不稳定，严重影响打印的精度、质量和稳定性；(2)对于许多高粘度材料，无法实现连续稳定的供料；(3)对于打印熔融聚合物等需要加热的材料时，由于气压受温度变化的影响较大，维持气压稳定不变是很难实现的。打印过程中，气压的不稳定，导致喷嘴尖端处的出液量不均，影响喷射液滴的体积的精确控制，导致打印精度受限，难以实现高分辨率亚微尺度/纳尺度3D打印；(4)此外，随着打印的不断进行，送料筒内的材料体积不断减少，空气体积不断增大，在同样的动作时间和气压下，喷射出的材料体积会逐渐减少，影响喷射液滴的一致性(体积相等)以及打印图案的精度；(5)打印过程中，液滴喷射的急停与急启不能得到很好的控制。电喷印技术中驱动打印材料喷射的作用力主要有电场力和气体压力，通过接通/断开电源开关可以实现电场力的快速启停，而送料筒通过管路与压缩气体相连，在接通/断开气压控制阀的瞬间，由于管路中的气体无法快速上升或释放，气体压力响应滞后，导致打印路径的空行程上也会沉积打印材料，这不仅浪费了打印材料也影响打印图案的质量，尤其在打印结束后，打印过程中保持的高气压无法快速释放，在未取件之前，在气体压力的作用下，可能沉积较大的液滴在已成形件之上，影响打印图案的质量；(6)现有的大多数电流体动力喷射打印机和电场驱动喷射沉积3D打印机在其打印过程中，打印床和基材跟随工作台进行水平方向的运动，对于微纳结构3D打印，打印床和基板的运动对于已经成形结构有较大的影响，尤其是低粘度打印材料、固化时间长的材料，一方面严重影响打印精度和质量，另一方面会严重降低打印效率。

因此，为了进一步提高打印的精度、稳定性、一致性、打印效率、拓展打印材料的范围，实现高精度微纳尺度3D打印，提高打印效率，迫切需要开发新的微纳3D打印装置和工艺。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置，其供料模块、送料模块、打印喷头集成一体，能够现任意形状成形，在任意材质的基板上制造3D结构，同时打印高度几乎没有限制，打印过程中供料稳定和连续。采用新的运动平台和结构，避免已成型结构受打印平台运动的影响，进一步提高打印的精度、分辨率和一致性。结合这些策略，本实用新型提出的3D打印装置能够实现稳定性、一致性、高效微纳尺度3D打印。

本实用新型的具体实现方法为：(1)在送料筒底端安装环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极与高压脉冲电源负极相连，喷嘴与环形提取电极集成一体，且保持同轴，基板(衬底、基材)不再需要作为第二电极(电极对)，摆脱对于基材导电性的依赖性。(2)采用环形提取电极作为负极，与连接高压电源正极的导电喷嘴形成电场，两者相对位置固定，电场力不会随打印高度的改变而改变，因此可以在非平整表面上进行打印，同时解决了导电基板作为负极接地时打印高度受限的问题，可在任意高度内(保证喷射所需电场强度的情况下)进行打印，尤其能够实现非平整、曲面结构打印。(3)将供料和送料功能分离，通过供料机构和送料机构的配合使用实现对液体流量和背压增量的精确控制。一方面，通过气压供料装置，及时向电动螺杆喷头内补充打印材料，实现对打印材料的供给。另一方面，通过电动螺杆送料装置，将打印材料稳定输送到喷嘴。通过步进电机控制螺杆的旋转速度来控制喷嘴流量，同时代替气压建立打印材料的输送压力，通过螺杆的匀速旋转，建立稳定增长的背压，实现材料的均匀稳定供给，解决了气压供料方式稳定性差的问题。(4)通过电机控制螺杆旋转的启停，实现对液滴喷射急停和急启的控制，确保在空行程路径停止出液，在打印路径开始喷印，真正实现按模型轮廓打印，提高了图案的打印精度和打印质量，解决了液滴喷射急停与急启难以快速响应和控制的问题。(5)将打印需要的运动功能全部设置在打印头(即打印头实现结构成形需要的三轴运动或者5轴运动)，已成形结构/零件在打印床(工作台)上保持不动，打印床(工作台)在打印过程中保持静止不动，结构成形需要的X、Y、Z三个方向的运动全部通过打印头来实现，提高打印件的精度和打印效率。

进一步的，本实用新型采用下述技术方案：

一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置，包括底座，所述底座上固定Y向位移台，Y向位移台与X向位移台连接，X向位移台与Z向位移台连接，所述Z向位移台固定设置打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与供料模块连接，供料模块通过气压管路与无油静音空压机连接，气压管路设置精密调压阀；所述打印喷头下方对应设置打印平台，打印平台固定于底座，打印平台上设置基板；

所述供料模块包括料筒，料筒底部设置供料管路与送料模块连通；

所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；

所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地或与高压脉冲电源负极相连。

进一步的，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。

进一步的，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。

进一步的，所述料筒侧部上方设置多个进料口。

进一步的，所述料筒顶部设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

或者，所述料筒侧部上方设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

进一步的，所述料筒内设置搅拌轴，所述搅拌轴顶部与搅拌电机连接。

进一步的，所述搅拌轴直径小于料筒内径。

进一步的，所述搅拌轴侧壁设置螺旋凹槽。

进一步的，所述供料模块通过夹具固定于集成喷头固定架上，集成喷头固定架固定于Z向位移台。

进一步的，所述注射筒和料筒内设置废液收集管路，废液收集管路内置集成泵，废液收集管路还与真空管路连通。

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将X向位移台、Y向位移台和Z向位移台移动至打印工位，使打印喷头距基板设定距离，调节环形提取电极与导电喷嘴下端的距离；

步骤2：开始打印工作，根据打印结构选择打印模式，结合位移台的移动，完成当前层的打印，Z向位移台带动打印喷头上升一个层厚高度；

步骤3：重复步骤2，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤4：打印完成，将X向位移台、Y向位移台和Z向位移台移动至原始工位，关闭各工作部件，取下基板和成形零件。

进一步的，所述步骤2中，若打印微观结构，开启高压脉冲电源、精密调压阀，料筒内的材料在气压的作用下向注射筒内供给打印材料，物料流在螺杆的背压作用下输送至导电喷嘴，环形提取电极和导电喷嘴之间形成电场，物料流在导电喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至基板表面。

进一步的，所述步骤2中，若打印宏观结构，关闭高压脉冲电源，物料流在螺杆的背压作用下实现沉积打印。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)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。

(2)基板选择范围广。引入环形提取电极作为负极接地，克服了传统电喷印等技术必须使用导电基板的限制，扩大了基板的使用范围。

(3)可实现大尺寸构件打印(高度超过3毫米)，可在非平整表面、曲面上进行打印。连接高压电源负极的环形提取电极与连接高压电源正极的喷嘴相对位置固定，电场强度不会随打印高度的改变而改变，实现在任意高度平面以及非平曲面上打印。由于液滴从喷嘴喷射超过几毫米，非接触式精细特征沉积可以在较大的间隙处实现，实现大尺寸、任意复杂三维结构的打印。

(4)提高了打印过程稳定性和可靠性、打印件一致性好。同时设置供料机构和送料机构，供料机构将打印材料源源不断地输送到送料机构，送料机构通过螺杆的稳定旋转，建立稳定的背压，将打印材料输送到喷嘴。与气压送料方式不同，本设计通过转速控制器调节电机转速带动螺杆匀速旋转，从而实现稳定均匀供料。相对于气压控制阀，转速控制器调节更稳定，打印可靠性和可重复性更高。

(5)精确控制喷射的开始与停止。送料筒内的打印材料主要依靠螺杆施加的力以及电场力实现喷射，通过调节转速控制器和电源开关，可以实现背压和电场力的迅速开启与停止，因此可以精确控制喷射的急停与急启，打印图案的质量更优。

(6)可供打印材料种类多，大大拓展了工艺适用领域。只要是能转化为“墨水”形式的材料都能够进行3D打印，这主要是因为较强的电场力以及电动螺杆施加的较大背压量。变“推”为“拉”的方式配合较大的背压量更适合用来打印高粘度材料，克服了传统电喷印技术难以打印生物材料、金属、陶瓷材料等高粘度材料的难题。

(7)打印喷头可移植性、实用性好。打印喷头作为固定在机器上的独立单元，可根据需要改变结构形式，例如，设计多喷头结构或者增设进料口，可实现多材料、多尺度和混合材料打印。

(8)打印精度、分辨率高。在电场力的作用下从喷嘴尖端“拉”出极细的射流(一般来说小于喷嘴尖端尺寸1到2个数量级)，实现亚微尺度甚至纳尺度复杂三维结构制造。

(9)宏、微跨尺度结构一体化打印。兼具宏尺度和微尺度两种打印模式，打印过程中，可以根据需要设置不同的打印参数，实现在同一构件中任意切换两种模式，按需完成构件的打印，突破传统3D打印技术打印精度跨度小的限制。

(10)送料模块和供料模块分离，但结构是一体，能确保连续打印，打印效率高。

(11)设备结构简单，成本低。

电场驱动喷射微纳3D打印机显著提高了打印图形的精度，打印的稳定性、可靠性、和打印效率，尤其是其具有微尺度和纳尺度3D打印能力和宏/微跨尺度一体化打印的能力，可供打印材料广泛，极大拓宽了喷射沉积3D打印机的应用领域。尤其在微结构阵列、微尺度模具、高深宽比微结构、复杂三维微纳结构、光电子等领域具有及其广阔的应用前景。特别是在大尺寸透明电极、超微细电路制造、大尺寸微尺度模具、高精度生物支架等方面具有非常广泛的工业化应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置的结构示意图；

图2是本实用新型打印喷头局部放大图；

图3是本实用新型实施例1集成喷头剖面示意图；

图4是本实用新型实施例2集成喷头剖面示意图；

图中，1底座，2Y向位移台，3X向位移台，4打印喷头，401环形提取电极，402导电喷嘴，403环形提取电极固定架，5Z向位移台，6集成喷头固定架，7送料模块，701注射筒，702供料快速接头，703螺杆，704步进电机，8供料模块，801供料管路，802料筒，803气路快速接头，804搅拌轴，805A料进料口，806B料进料口，807搅拌电机，9精密调压阀，10气压管路，11无油静音空压机，12基板，13打印平台，14信号发生器，15高压脉冲电源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

正如背景技术所介绍的，现有技术电流体喷射打印(电喷印)和电场驱动喷射沉积3D打印存在不足和局限性，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提供了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置；图1是本实用新型集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置原理示意图，它包括：底座1，Y向位移台2，X向位移台3，打印喷头4，Z向位移台5，集成喷头固定架6，送料模块7，供料模块8，精密调压阀9，气压管路10，无油静音空压机11，基板12，打印平台13，信号发生器14，高压脉冲电源15。打印喷头4，送料模块7，供料模块8集成一体安装在Z向位移台5上。具体的，打印喷头4垂直于基板12，与送料模块7，供料模块8集成安装在集成喷头固定架6上，集成喷头固定架6竖直安装在Z向位移台5的滑台上，Z向位移台5固定在X向位移台3上，X向位移台3固定在Y向位移台2上，Y向位移台2固定底座1上，X向位移台3、Y向位移台2、Z向位移台5联动控制打印喷头4运动。打印喷头4通过导线与高压脉冲电源15连接，送料模块7通过供料管路801与供料模块8相连接，供料模块8通过气压管路10与精密调压阀9和无油空压机11连接。打印平台13固定在底座1上，基板12放置在打印平台13上。所述Y向位移台2、X向位移台3均采用模块化的高精度直线电机模组，工作行程200mm，重复定位精度不低于0.1μm，定位精度不低于0.4μm；Z向位移台5采用高精度纳米级压电位移台，定位精度为0.1μm。所述打印平台13尺寸为120mmx120mm。所述基板12采用不锈钢材质。

图2是本实用新型实施例打印喷头局部放大图，它包括环形提取电极401，导电喷嘴402，环形提取电极固定架403。环形提取电极401与高压电源15负极连接，导电喷嘴402与高压电源正极连接，导电喷嘴402与环形提取电极401之间形成强电场，驱动材料喷射沉积在基板12上。

图3是本实用新型实施例1集成喷头剖面示意图，它包括：环形提取电极401，导电喷嘴402，环形提取电极固定架403，注射筒701，供料快速接头702，螺杆703，步进电机704，供料管路801，料筒802，气路快速接头803。集成喷头模块由打印喷头4、送料模块7、供料模块8三部分组成。环形提取电极401，导电喷嘴402，环形提取电极固定架403共同组成打印喷头4；注射筒701，供料快速接头702，螺杆703，步进电机704共同组成送料模块7；供料管路801，料筒802，气路快速接头803共同组成供料模块8。

所述环形提取电极401采用导电性能优良的紫铜片，环形提取电极内径0.1-10毫米，外径1-20毫米，厚度1-200微米；本实施例中环形提取电极内径为8mm，外径为18mm，厚度为100μm，安装在环形提取电极固定架403下表面并通过导线接地。

导电喷嘴为金属喷嘴或涂覆导电材料喷嘴，喷嘴内径大小1-1000微米，本实施例中导电喷嘴402采用不锈钢针头，规格为25G，其内径为0.26mm，外径为0.5mm，安装在注射筒701最下端并通过导线与高压脉冲电源2的正极连接。

环形提取电极固定在环形提取电极固定架上，环形提取电极固定架403为带有内螺纹的塑料圆筒，其内径与注射筒701外径相同，外径与环形提取电极401外径相同，通过螺纹连接固定在注射筒701上，并且上下位置可调，保证导电喷嘴与环形提取电极同轴。环形提取电极401与高压脉冲电源15负极相连/或者接地。

所述导电喷嘴402与环形提取电极401同轴，通过调整环形提取电极固定架403上下位置，使导电喷嘴402最下端穿过环形提取电极401并伸出4mm距离。环形提取电极与导电喷嘴的不同位置关系将形成不同的电场分布，根据实际需求确定两者上下位置。

所述注射筒701采用塑料注射器，防止与导电喷嘴402导通而影响装置其他电子器件。

所述螺杆703直径为6mm，略小于注射筒701内径，避免间隙太小导致螺杆703与注射筒701相互磨损。

所述步进电机704选择42步进电机，扭矩大，转速范围为10r/min-200r/min。步进电机704带动螺杆703在注射筒701内旋转，供料快速接头702安装在注射筒701一侧并与供料管路801相连。

所述供料管路801采用黑色特氟龙管，管路两端分别与料筒802和供料快速接头702连接。

所述气路快速接头803通过螺纹连接安装在料筒802上方，并与气压管路10连接。

料筒802为绝缘材质，料筒802内盛放打印材料，并通过供料管路801向送料模块7供给材料。料筒802内打印材料在压缩空气的压力作用下及时向送料模块7的注射筒701内补充打印材料。

所述送料模块7和供料模块8内可设置废液收集器，废液收集器为废液收集管路，内置集成泵，废液收集器内的真空压强-500mbar。废液收集管路的一端设置于料筒和注射筒内部，另一端与真空管路连接，用于通过真空负压回收喷头内残留的材料，在转换材料时，开启废液收集器，将装置内残留的打印材料回收到废液收集器中，便于快速更换多材料，实现柔性材料、刚性材料的无缝和精确过渡。

图4是本实用新型实施例2集成喷头剖面示意图，在上述实施例1集成喷头的基础上，在料筒802内增加搅拌轴804，气路快速接头803设置于料筒802侧部上方。在料筒802两侧分别设置A料进料口805和B料进料口806，在打印过程中，可以根据需要切换供给不同打印材料，实现多材料打印。并且增加了进料口，可以及时向料筒802内补充打印材料，无需频繁切换多喷头，操作更加简单、方便。采用本实施例喷头进行打印过程中，搅拌电机807驱动搅拌轴804旋转，搅拌轴804侧壁设置螺旋凹槽，搅拌打印材料，直至各材料混合完全，混合均匀的材料通过供料管路801快速输送到注射筒701，注射筒701内的打印材料在螺杆703的背压作用下向下运动并从导电喷嘴402流出，由于在导电喷嘴402与环形提取电极401之间施加了一定的脉冲高压电，产生的电场力将打印材料从导电喷嘴拉出进而喷射至基板表面。

所述信号发生器14输出预设波形信号并作用于高压脉冲电源15，使其产生所需参数的高压电信号。根据需要可设置成直流或脉冲高压电形式，从而实现点或线的打印。所述高压脉冲电源15输出脉冲电压为0.1-4KV，输出脉冲频率1Hz-2000Hz。

所述无油静音空压机11产生压缩空气，经精密调压阀9调节后作用于气压供料器(料筒802)内，压缩空气背压范围为0-5bar。所述无油静音空压机11与精密调压阀9，精密调压阀9与料筒802之间均通过气压管路10连接。

所述X向位移台3、Y向位移台2、Z向位移台5为高精度位移工作台，可采用精密电动平移台、高精度直线滑台或压电位移台等，其中X、Y、Z向位移台优先选用直线电机驱动、伺服电机驱动、高精度步进电机驱动的方案。X、Y、Z位移台协同工作运动，完成每一层结构的制造。

所述打印平台13固定在底座1上，可根据打印需要选择平台材料，若要在已有实物表面进行打印，可将实物固定于打印平台13上再打印。

所述基板12通过真空吸附固定在打印平台13上。基板12可为绝缘材料、半导体材料或者导电材料，基板12表面可依据打印材料特性进行表面处理。所述基板12的固定方法可替换为其他方式。

当打印材料为热固化材料时，可在打印平台13上增加电加热装置，所述电加热装置为电加热棒或者电加热片，电加热装置可以通过对打印材料进行加热，实现打印材料快速固化。

当打印材料为光固化材料时，可在打印喷头4一侧安装UV固化装置，所述UV固化装置为紫外LED模组或者紫外LED灯珠，跟随喷头运动，照射打印位置，实现打印材料快速固化。

上述集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置的工作方法如下：

将整个打印模型分为宏尺度结构和微尺度结构，打印宏尺度结构时，关闭高压电源，利用螺杆将打印材料挤出沉积在衬底上。打印微尺度结构时，开启高压电源，利用电场将打印材料喷射沉积在衬底上。打印时根据需要选取不同的打印模式进行分别打印。开始打印后，电动螺杆喷头通过电动机驱动的螺杆转动使注射筒内的打印材料向下运动并从导电喷嘴流出，由于在导电喷嘴与环形提取电极之间施加了一定的高压电，产生的电场力将打印材料从喷嘴拉出。X、Y、Z向位移台按设定路径带动打印喷头运动，被拉出的液体固化沉积在打印平台上，形成工件的截面轮廓。工件的一层截面成形完成后，Z向位移台控制喷头上升一个截面的高度，再进行下一层截面的沉积，如此循环，最终形成三维工件。

具体的，利用集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置具体的3D打印方法和工艺过程如下：

步骤1：打印初始化，将Y向位移台2、X向位移台3、Z向位移台5移动至打印工位，使打印喷头4距基板12设定距离，调节环形提取电极固定架403，使环形提取电极401与喷嘴402下端保持设定距离，根据所打印的材料、精度、结构尺寸等选择打印模式，设置工艺参数。打印宏结构时，关闭高压脉冲电源15，打印微结构时开启高压脉冲电源15，同时，设置好精密调压阀9、螺杆703转速等参数；

步骤2：开始打印工作，根据选择的模式，打印微观结构时，开启高压脉冲电源15、精密调压阀9，料筒802内的材料在气压的作用下向注射筒701内供给打印材料，物料流在电动螺杆703的背压作用下输送至喷嘴，环形提取电极401和喷嘴402之间形成电场，物料流在喷嘴402处处形成泰勒锥，进而喷射至基板12表面。打印宏观结构时，关闭高压脉冲电源15，物料流在电动螺杆703的背压作用下实现沉积打印，X、Y、Z工作台按设定路径运动，完成一层的打印过程，Z向位移台5带动喷头上升一个截面高度；

步骤3：重复步骤2，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤4：打印完成，将Y向位移台2、X向位移台3、Z向位移台5移动至原始工位，关闭高压脉冲电源15、精密调压阀9等。取下基板12和成形零件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置，其特征是，包括底座，所述底座上固定Y向位移台，Y向位移台与X向位移台连接，X向位移台与Z向位移台连接，所述Z向位移台固定设置打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与供料模块连接，供料模块通过气压管路与无油静音空压机连接，气压管路设置精密调压阀；所述打印喷头下方对应设置打印平台，打印平台固定于底座，打印平台上设置基板；

所述供料模块包括料筒，料筒底部设置供料管路与送料模块连通；

所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；

所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地或与高压脉冲电源负极相连。

2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。

3.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。

4.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述料筒侧部上方设置多个进料口。

5.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述料筒顶部设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

6.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述料筒侧部上方设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

7.如权利要求1或6所述的3D打印装置，其特征是，所述料筒内设置搅拌轴，所述搅拌轴顶部与搅拌电机连接。

8.如权利要求7所述的3D打印装置，其特征是，所述搅拌轴直径小于料筒内径；所述搅拌轴侧壁设置螺旋凹槽。

9.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述供料模块通过夹具固定于集成喷头固定架上，集成喷头固定架固定于Z向位移台。

10.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征是，所述注射筒和料筒内设置废液收集管路，废液收集管路内置集成泵，废液收集管路还与真空管路连通。