CN209022445U - 一种纳米级高精度增材制造设备 - Google Patents
一种纳米级高精度增材制造设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN209022445U CN209022445U CN201821127195.6U CN201821127195U CN209022445U CN 209022445 U CN209022445 U CN 209022445U CN 201821127195 U CN201821127195 U CN 201821127195U CN 209022445 U CN209022445 U CN 209022445U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- printing
- platform
- nozzle
- precision
- movement mechanism
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 150
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 35
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 33
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 20
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 20
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 11
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 10
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 abstract 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 16
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 14
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 12
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000012776 electronic material Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 2
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 2
- 238000005491 wire drawing Methods 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 description 1
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229920006240 drawn fiber Polymers 0.000 description 1
- -1 droplets Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000007687 exposure technique Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000001540 jet deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000000016 photochemical curing Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005493 welding type Methods 0.000 description 1
Abstract
本实用新型公开了一种纳米级高精度增材制造设备，包括：打印平台；打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距满足特点要求。本实用新型实现纳米级2D及3D增材制造得益于高压脉冲电流体动力喷射、纳米级打印头以及约束磁场，可解决现有技术无法实现的高精度纳米级材料的构建，尤其是在电子电路板印刷、纳米储能、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等方面的不足和局限性。
Description
技术领域
本实用新型属于增材制造技术领域，尤其涉及一种纳米级高精度增材制造设备。
背景技术
在电子印刷领域，随着电子元件的微型化，对电子印刷精细度要求越来越高，如电路板、触摸屏、生物传感器、RFID天线、原电池指纹照相等。使用网版印刷70μm以下的细线条，可能会受到网版本身的限制，另一方面也会受到印浆的限制。网版的限制主要是网版的目数和网丝的厚度，而印浆的限制则是印浆的颗粒尺寸、黏度和流变特性。尽管这些因素可以进行优化，但有较多的因素会影响到精细电子印刷的开创活动，现阶段，国内外通过电子束，激光束曝光光刻胶制备封装电路板的极限大于10微米，并具有设备非常昂贵(几千万或者上亿美元一台)、工作条件苛刻(需要在高真空条件下工作)、工序复杂、成本高、后期酸碱腐蚀污染严重等缺点。在纤维复合材料制备领域，比如，传统Cf/C(碳纤维/碳复合材料)、SiCf/SiC(碳化硅纤维/碳化硅复合材料)制作过程，都是使用二次编制工艺，使用拉丝工艺制备碳或者碳化硅纤维丝，再经过编制工艺制作碳或者碳化硅纤维框架。由于拉丝纤维二次编织，工序复杂，纤维和纤维之间相对独立，整体性差，所制备的复合材料不能打孔、不能二次加工。
另外，在仿生、生物医疗工程、微纳电机系统、纳米储能材料、生物芯片、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等许多领域对于复杂2D和3D纳米构成部件都有着强烈的科研和产业需求。但是现有设备和技术在精度、成本、性能等各个方面都无法满足人们对产品性能和技术层面的需求。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，近二十几年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造(Rapid Prototyping”、“三维打印(3D Printing)”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。
金属3D打印，是在高真空下，利用高能激光束或电子束熔化金属粉形成熔池，再快速冷却，固化，逐层打印形成模型。目前，金属3D打印仍然面临，激光器和电子束热源价格昂贵，制造精度不能达到直接使用的标准(目前金属3D打印的零件精度都在0.1mm到5mm之间，无法再提高)；熔池冷却时，孔隙大，残余应力大，力学性能非常差的缺点。
高分子及陶瓷材料3D打印，主要有熔融沉积制造(FDM)，立体光固化成型(SLA)，通过熔化凝固或者光固化高分子材料形成模型，通过烧结也可以制备3D打印陶瓷材料。设备便宜，但是也面临精度差，打印材料种类有限的缺点。
为了提高打印精度，现有技术中已存在相关专利及文献记载，如专利号为CN201711405648中国发明专利，公开了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印机及其工作方法，采用高压脉冲电源，在背压作用下，被挤出到打印喷嘴尖端的微熔滴拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力超过熔体的表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射产生极细的射流，实现微熔滴在基板上精准沉积。但是仍然存在如下不足：第一，使用的移动平台为精度较差的步进电机，不带光栅尺，定位误差达到20微米以上。第二，使用喷头为普通针头或滴胶，内径为亚微米级别，以致成型液滴尺寸大(如图所示)，大于50微米。第三，使用气压驱动的打印模式，在停止瞬间会有极大延迟，停止气动后仍然会挤出打印液。第四，带电液滴在高电压驱动下会有螺旋横向运动趋势(如图所示)，导致滴落的液滴不能准确沉积在目标位置，且误差较大，从而影响精度，因而极大的限制了该技术的应用。专利号为CN105364073B中国发明专利，公开了一种基于磁场调控的3D金属打印系统及其打印方法，该专利虽然在3D打印中利用了磁场，但是其原理是利用洛伦兹力偏转带电金属液滴原理，将垂直的液滴通过X、Y两方向磁场偏转至目标点。该技术液滴在磁场中经过的距离越大，偏转厉害，精度无法控制。专利号为CN201620744062.8中国实用新型专利，公开了一种基于电磁发射技术的的3D打印装置，该专利和专利CN201620744062.8类似，虽然在3D打印中利用了磁场，但是只是利用磁场力推动喷出带电液滴到达至目标点。但是磁场力对于带电液滴驱动力弱，很难实现拉出超细液滴，打印精度有限，主要用于生物材料打印。
实用新型内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的目的之一在于提供一种打印精度高、打印速度快的纳米级高精度增材制造设备。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种纳米级高精度增材制造设备，包括：
打印平台；
打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；
所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：
D＝N×T×V平
其中，
m为从打印喷头喷出的每滴打印介质的质量，q为每滴打印介质所带电量，T为每滴打印介质在匀强磁场中的回转周期，B为匀强磁场的强度，V平为每滴打印介质平行于B的速度分量，N为正整数，π为圆周率。
优选的，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：
D＝N×T×V平
进一步的，所述打印平台与所述打印喷头之间设有通以励磁电流的螺线管，使其内部产生所述均强磁场。
进一步的，所述喷嘴的喷口处进行圆角处理呈喇叭状。
进一步的，还包括纳米级定量挤出装置，所述纳米级定量挤出装置包括基座、与基座滑动连接的滑块、与滑块螺旋连接的螺杆、与螺杆传动连接的驱动机构及料筒，所述料筒内匹配滑动设置有与滑块固定连接的挤出杆，所述滑块在螺杆的作用下作线性运动带动挤出杆将料筒内的物料输送至打印喷头。
进一步的，还包括设置在打印喷头一侧实时监控打印作业的高强数码显微镜。
进一步的，所述打印喷头的喷嘴内径为30nm-60nm。
进一步的，所述喷嘴到打印平台的距离为20um-1mm。
进一步的，所述打印介质为液体、熔融体或悬浮液。
进一步的，还包括三维运动机构，所述三维运动机构包括X、Y、Z三个方向的运动机构，所述X、Y方向运动机构承载所述打印平台，所述Z方向运动机构上设置打印喷头。
进一步的，所述Z方向运动机构通过单轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率001μm-0.03μm，电机有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，推力75-125N，所述X、Y方向运动机构通过双轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率001μm-0.03μm，电机单轴有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，X轴推力200-400N，Y轴推力75-125N。
进一步的，还包括气垫隔震平台，所述X、Y方向运动机构设置在所述气垫隔震平台上。
进一步的，还包括与气垫隔震平台连接的龙门架，所述Z方向运动机构固定在所述龙门架的横梁上。
进一步的，多个打印喷头成排布置在打印喷头正上方上，相邻两个打印喷头之间的距离需满足喷出的滴状打印介质作螺旋运动时不相互干扰。优选的，打印喷头喷孔最小墨滴1.5pl。
进一步的，对金属或塑料打印时，纳米级定量挤出装置还包括将料筒内的原材料加热变成熔融液体金属或塑料的加热体，优选的，在打印喷头的外围还可以设有电加热器和测温元件，以确保从打印喷头内喷出的熔融液体金属或塑料的温度，并可防止堵塞打印喷头。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型利用垂直磁场用于汇聚带电的超细液滴，利用从喷嘴喷出的初速度大致相同的超细液滴在匀强磁场中各自作螺线运动经过n各周期后又彼此相会的远离，将打印平台与打印喷头之间的间距D限定约为螺距的整数倍，从而使得各超细液滴的汇聚点正好位于打印平台上，极大地提高了打印精度。
2、磁场在打印过程中，在带电液滴外部施加电磁力，该电磁力还可以改变液滴内部受力状况，提供磁搅拌效果，让打印液滴中悬浮颗粒充分均匀混合，可以使最后得打印部件空隙小，组织细化，质地均匀，性能更优异。
3、与传统电子束、激光曝光技术使用减材制造不同的是，本实用新型所提供的常温常压下实现的纳米级高精度增材制造设备可进行二维电子电路封装，可将电路打印在基底，而纳米级别的精度可以大大降低电子元件的体积，在增材制造制作工序上由于一次成型技术大大减少步骤的复杂度，降低了成本，并更加环保。
4、本实用新型所提供的纳米级高精度增材制造设备可进行3D碳化硅纤维框架一次成型，制备方法对比传统编制工艺简单，碳化硅纤维框架一次成型，有效的避免了传统拉丝纤维二次编织复杂和整体性差的缺点，与此同时制备的碳化硅纤维框架，纤维与纤维之间互相胶黏，编织结合力强、力学性能优异。利用本实用新型所述碳化硅纤维框架制备得到三维交联纤维结构的SiCf/SiC复合材料，具有高强度、高模量和耐高温等特性，并且具备可以任意剪切、打孔等二次加工性能。
5、本实用新型打印精度可至纳米级别，比现阶段所有三维成型平台成型精度高，适用于许多对于复杂2D和3D纳米构成部件都有着强烈需求的领域。
6、使用亚微米级别自制针头，并将针尖做表明圆滑处理，提高打印精度。
总之，本实用新型是利用高压电场拉出超细液滴，并通过磁汇聚，对带电液滴束进行汇聚，可避免喷射出的滴状打印介质在下落过程中的不规则运动，从而汇聚在接收底板上，极大地提高打印精度，实现纳米级精度的3D打印，并且可以打印各种溶液、悬浮液、高分子熔体、金属熔体等。
本实用新型实现纳米级2D及3D增材制造得益于高压脉冲电流体动力喷射、纳米级打印头以及约束磁场，可解决现有技术无法实现的高精度纳米级材料的构建，尤其是在电子电路板印刷、纳米储能、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等方面的不足和局限性。
附图说明
图1为本实用新型的轴测图；
图2为本实用新型的主视图；
图3为本实用新型打印喷头喷口示意图；
图4为本实用新型打印的SiC纤维光学显微镜图；
图5是本实用新型打印SiC纤维宏观照片；
图6是本实用新型打印自制墨水SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
参见图1和图2，在一实施例中，纳米级高精度增材制造设备，包括打印平台1和打印喷头2，打印喷头2设置在打印平台1的上方且喷嘴正对打印平台1，在打印喷头2的导电喷嘴与打印平台1之间施加有高压脉冲电源。打印平台1与打印喷头2之间还设有垂直于打印平台的匀强磁场(图中未示出)，磁力线方向朝向打印平台1，打印平台1与打印喷头2之间的间距D满足如下关系式：
D＝N×T×V平
其中，
m为从打印喷头喷出的每滴打印介质的质量，q为每滴打印介质所带电量，T为每滴打印介质在匀强磁场中的回转周期，B为匀强磁场的强度，V平为每滴打印介质平行于B的速度分量(速度变化时为平均速度分量)，N为正整数，π为圆周率，本实施例中打印介质为高分子熔体。可以想到的是，也可以为悬浮液、液滴、金属熔体等其他打印介质。
本实施例中，将电流体动力学(EDH)微液滴喷射成形沉积技术和累积制造技术(3D打印)相结合，在导电喷嘴(第一电极)和打印平台1(第二电极)之间施加高压脉冲电源，利用在喷嘴和打印平台1之间形成的强电场力将打印介质从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的打印介质会受到电致切应力的作用，当局部电荷力超过打印介质表面张力后，带电滴状打印介质从喷嘴处喷射，形成极细的射流，喷射沉积在打印平台1之上，从打印喷头喷出的滴状打印介质具有速度大致相同，且与匀强磁场的夹角非常小的特性(满足磁汇聚条件)，同时由于在挤出速度一定、电场强度一定的情况下，各个滴状打印介质的周期(即完成一周螺旋运动的周期)是相同的，也就是所有滴状打印介质旋转一圈的时间相同，因而这些粒子在匀强磁场中具有相同的螺距，他们各自经过不同的螺距轨道会重新会聚到一点。因而通过将打印平台1与打印喷头2之间的间距D限定为螺距的整数倍时(优选为1倍或2倍或3倍)，使得各超细液滴会汇聚点正好位于打印平台1上，极大地提高了打印精度，此时打印精度最高，汇聚效果最好。但是，实际操作中，间距D也允许有±5％个螺距的波动范围，相应的打印精度降低。
本实施例中，高压脉冲电源由脉冲高压电源模块3提供，脉冲高压电源模块3为现有技术在此不再赘述，脉冲高压电源模块3的具体参数为：输入电压：AC220V±10％，输出电压：脉冲：DC0～+6000V，输出电流：1mA，接地方式：交流隔离，参考地接大地，保护方式：限流型，调节方式：触摸屏和单片机控制，时漂精度：0.1％/小时(30分钟后计算)，温漂精度：0.1％/℃，负载调整率：0.5％，工作温度：-10℃～+50℃，脉冲参数：输出频率：1HZ-1KHZ；占空比：1-99％；输出波形：矩形波；脉宽≤1ms；上升沿下降沿≤100ns。
参见图1，在另一实施例中，打印平台1与打印喷头2之间设有通以励磁电流的螺线管4，均强磁场通过该螺线管4产生。螺线管4采用0.23mm低铁损高导磁的冷轧取向优质硅钢材料制作，因其为顺磁路环形结构，磁路完全闭合，无漏磁，伺服直流电源带变阻器其磁性能可调。
本实施例中，打印喷头2由单根自制喷头构成，其通过纳米级工艺加工的喷头，喷头内径最小尺寸可以达到30nm，喷头与打印平台1距离在20μm-1mm之间，针尖环形边缘做了圆弧化处理呈喇叭状(喷嘴的喷口呈喇叭状)，让打印介质11喷射出来角度垂直或接近垂直向下，并保证泰勒锥近似半球形，如附图3所示。为实现高效大规模印刷，在打印平台1正上方可以成排布置多个打印喷头2，以实现大规模印刷，但是需要保证相邻两个打印喷头2之间的距离需满足喷出的滴状打印介质作螺旋运动时不相互干扰要求，打印喷头喷孔最小墨滴1.5pl。
参见图2，在另一实施例中，纳米级高精度增材制造设备还包括纳米级定量挤出装置5，基础精度达到纳米级别，纳米级定量挤出装置5包括基座501、与基座501滑动连接的滑块502、与滑块502螺旋连接的螺杆503、与螺杆503传动连接的驱动机构504(电机)及料筒505，料筒505内匹配滑动设置有与滑块502固定连接的挤出杆(未示出)，料筒505的出料口通过输送管506与打印喷头2连通，滑块502在螺杆503的作用下作线性运动带动挤出杆将料筒505内的物料输送至打印喷头2。对金属或塑料打印时，纳米级定量挤出装置5还包括将料筒505内的原材料加热变成熔融液体金属或塑料的加热体(图中未示出)。可以想到的是，在打印喷头2的外围还可以设有电加热器和测温元件，以确保从打印喷头2内喷出的熔融液体金属或塑料的温度，并可防止堵塞打印喷头2。
参见图1和图2，在另一实施例中，纳米级高精度增材制造设备还包括设置在打印喷头2一侧实时监控打印作业的高强数码显微镜6，该高清数码显微镜6有效像素1600万，放大倍数最高可达1600倍，实时监控打印作业过程。
参见图1和图2，在另一实施例中，纳米级高精度增材制造设备还包括三维运动机构，三维运动机构包括X、Y、Z三个方向的运动机构，X、Y方向运动机构7承载打印平台，Z方向运动机构8上设置打印喷头，螺线管与Z方向运动机构同步运动，至于X、Y、Z三个方向的运动机构均为现有设备，为现有技术在此不再赘述。
本实施例中Z方向运动机构8通过单轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率0.01μm-0.03μm，电机有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，推力75-125N，X、Y方向运动机构7通过双轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率0.01μm-0.03μm，电机单轴有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，X轴推力200-400N，Y轴推力75-125N。
参见图1和图2，在另一实施例中，纳米级高精度增材制造设备还包括气垫隔震平台9和与气垫隔震平台连接的龙门架10，X、Y方向运动机构7设置在气垫隔震平台9的台面上，Z方向运动机构8固定在龙门架10的横梁上。
本实施例中，龙门架10采用000级大理石龙门框架，从而可以保证整个平台的刚性、硬度、耐磨性及极小的膨胀系数、抗形变性和稳定平整度，从而保证了设备的精度。框架的平面度公差依：GB4987-85标准，000级＝1×(1+d/1000)μm，大理石平台平板比重2970-3070kg/㎡；抗压强度245-254N/m；线膨胀系数4.61×10-6/℃,吸水率﹤0.13％；肖氏硬度Hs70以上。
气垫隔震平台9在纳米级高精度增材制造设备中起减震，维护系统稳定的作用。气垫隔震平台(超精密级)采用自动充气气垫隔震平台，其台面为三层夹心蜂窝状支撑结构，采用icr17优质高导磁不锈钢，专业设计的水平减震机构，隔振基础采用二层气囊隔离，在各个方向上都提供了优异的减振性能，减振器自身振动频率低，采用原装德国FESTO进口气阀，制作工艺采用整体焊接式支架，带高度调整机构和脚轮，方便移动和调整。运行过程中自动充气，自动平衡，响应时间短，平衡速度快，隔振效果超强，固有频率最小为1Hz，性能优越。主要参数：平面度小于0.5μm/㎡，表面粗糙度小于0.08μm，固有频率垂直1.0Hz～1.8Hz，水平1.0Hz～1.8Hz，振幅不大于0.02μm，重复定位精度0.05μm，至于气垫隔震平台的具体结构，均为现有技术在此不再赘述。
图4、图5为采用本实用新型纳米级高精度增材制造设备打印的SiC纤维光学显微镜图和宏观照片，图6是打印自制墨水SEM图。从图4和图6可以看出打印的增材均达到纳米级别。
本实用新型实现纳米级2D及3D增材制造得益于高压脉冲电流体动力喷射、纳米级打印头以及约束磁场，可解决现有技术无法实现的高精度纳米级材料的构建，尤其是在电子电路板印刷、纳米储能、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等方面的不足和局限性。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (10)
1.一种纳米级高精度增材制造设备，包括：
打印平台；
打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；
其特征在于：
所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：
D＝N×T×V平
其中，
m为从打印喷头喷出的每滴打印介质的质量，q为每滴打印介质所带电量，T为每滴打印介质在匀强磁场中的回转周期，B为匀强磁场的强度，V平为每滴打印介质平行于B的速度分量，N为正整数，π为圆周率。
2.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述打印平台与所述打印喷头之间设有通以励磁电流的螺线管，使其内部产生所述匀强磁场。
3.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述喷嘴到打印平台的距离为20um-1mm。
4.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：与打印喷头连接的纳米级定量挤出装置包括基座、与基座滑动连接的滑块、与滑块螺旋连接的螺杆、与螺杆传动连接的驱动机构及料筒，所述料筒内匹配滑动设置有与滑块固定连接的挤出杆，所述滑块在螺杆的作用下作线性运动带动挤出杆将料筒内的物料输送至打印喷头。
5.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：还包括三维运动机构，所述三维运动机构包括X、Y、Z三个方向的运动机构，所述X、Y方向运动机构承载所述打印平台，所述Z方向运动机构上设置打印喷头。
6.根据权利要求5所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：还包括气垫隔震平台和与气垫隔震平台连接的龙门架，所述X、Y方向运动机构设置在所述气垫隔震平台上，所述Z方向运动机构固定在所述龙门架的横梁上。
7.根据权利要求5所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：多个打印喷头成排布置在所述Z方向运动机构上，相邻两个打印喷头之间的距离需满足喷出的滴状打印介质作螺旋运动时不相互干扰。
8.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：还包括设置在打印喷头一侧实时监控打印作业的高强数码显微镜。
9.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述打印喷头的喷嘴内径为30nm-60nm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述打印介质为液体、熔融体或悬浮液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821127195.6U CN209022445U (zh) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | 一种纳米级高精度增材制造设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821127195.6U CN209022445U (zh) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | 一种纳米级高精度增材制造设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN209022445U true CN209022445U (zh) | 2019-06-25 |
Family
ID=66868370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201821127195.6U Active CN209022445U (zh) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | 一种纳米级高精度增材制造设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209022445U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108748975A (zh) * | 2018-07-17 | 2018-11-06 | 中南大学 | 一种纳米级高精度增材制造设备 |
-
2018
- 2018-07-17 CN CN201821127195.6U patent/CN209022445U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108748975A (zh) * | 2018-07-17 | 2018-11-06 | 中南大学 | 一种纳米级高精度增材制造设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108748975A (zh) | 一种纳米级高精度增材制造设备 | |
| CN105196550B (zh) | 一种单喷头多材料多尺度3d打印装置及其工作方法 | |
| CN106738896A (zh) | 一种微纳尺度3d打印机及方法 | |
| US10974442B2 (en) | Set-up and method of electrohydrodynamic jet 3D printing based on resultant effect of electric field and thermal field | |
| CN107932894B (zh) | 一种高精度电场驱动喷射沉积3d打印机及其工作方法 | |
| CN205058637U (zh) | 一种单喷头多材料多尺度3d打印装置 | |
| CN107470627B (zh) | 金属玻璃复合材料超声辅助3d冷打印装置及方法 | |
| Hu | Recent progress in field-assisted additive manufacturing: materials, methodologies, and applications | |
| CN110253879A (zh) | 一种柔性电子产品的3d打印装置及其工作方法 | |
| CN107214945A (zh) | 一种电场驱动喷射沉积3d打印装置及其工作方法 | |
| CN109366976A (zh) | 用于共形天线和电路一体化制造的3d打印装置及其方法 | |
| CN112895441B (zh) | 连续功能梯度材料和结构一体化制造的3d打印装置及方法 | |
| CN106003733B (zh) | 一种基于电磁发射术的3d打印装置及打印方法 | |
| CN201357575Y (zh) | 一种结合静电纺丝技术的快速成型装置 | |
| CN112122614B (zh) | 一种基于自激发静电场驱动喷射沉积3d打印装置、工作方法及其应用 | |
| CN108380871B (zh) | 一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法 | |
| CN107187017A (zh) | 一种多材料微尺度3d打印装置及其打印方法 | |
| CN112895426B (zh) | 一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3d打印方法 | |
| CN208376000U (zh) | 一种集成喷头电场驱动喷射微纳3d打印装置 | |
| CN209022445U (zh) | 一种纳米级高精度增材制造设备 | |
| CN113997561A (zh) | 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 | |
| Chen et al. | Controllable distribution of ultrafine diamond particles by electrostatic spray deposition | |
| CN113997565A (zh) | 功能梯度材料和三维结构一体化制造的3d打印设备及方法 | |
| CN106835303B (zh) | 激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3d打印装置及方法 | |
| WO2022115194A1 (en) | System and method for multimaterial powder bed patterning for use in additive manufacturing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |