CN211334599U

CN211334599U - 一种3d打印的纸基微流控装置、打印喷头及打印装置

Info

Publication number: CN211334599U
Application number: CN201922196830.7U
Authority: CN
Inventors: 陈小军; 梁碧瑜; 陈海微; 林熙彤; 莫德云; 连海山; 弓满锋
Original assignee: Lingnan Normal University
Current assignee: Lingnan Normal University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2029-12-10

Abstract

本实用新型公开了一种3D打印的纸基微流控装置、打印喷头及打印装置，属于3D打印技术领域，纸基微流控装置包括喷嘴和供料系统，供料系统包括输运通道和溶液槽；输运通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；输运通道与喷嘴为一体式设置；输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部，为打印溶液喷出口。本实用新型采用纸张作为输运通道和喷头，制作材料容易制得、成本低廉，其微纳纤维通道使得打印的微纳结构线宽更小，纸张自带过滤功能，使得溶液输运至喷嘴时，避免了污染及喷嘴堵塞问题，溶液在毛细作用下，将无动力输运至喷嘴。

Description

一种3D打印的纸基微流控装置、打印喷头及打印装置

技术领域

本实用新型属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于纸基微流控技术的电场驱动3D打印的方法。

背景技术

3D打印技术，又称为“增材制造”，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过使用3D打印设备将材料进行逐层添加从而制造出三维物体的新型制造技术，具有打印形状复杂、成型速度快、制造成本低、无需掩膜、周期短等优势。

3D打印技术是实现人工设计具有复杂3D结构制造的理想方法，较为成熟的商业化3D打印技术主要有光固化成型(SLA)、分层实体成型(LOM)、熔丝沉积(FDM)及选择性激光烧结(SLS)等工艺原理。鉴于制造精度—效率的调和问题，3D打印技术在复杂三维结构、微纳尺度结构、器件的制造上更具有应用潜力。以光固化喷印为特征的3D打印技术以及实现了商业化，可以轻易的打印纤维为50微米的结构；FDM技术是由压力挤出高粘度流体，固化形成微米(100微米)线状结构；EHD喷印技术依赖静电拉伸作用，可实现液滴、射流、纳米纤维多模式喷印。这些打印技术受到技术本身的限制，往往高分辨线宽结构和喷头尺寸是相互协调的，而小尺寸喷头与低成本制造又是相互矛盾的。因此，如想获得精细微纳结构，则打印喷头尺寸要尽可能小。目前3D打印机所能实现的分辨率主要取决于喷嘴尺寸，而喷嘴尺寸太小(小于200微米以下)，加工成本高，高粘度溶液或因杂质容易使喷嘴堵塞，从而导致打印困难。

因此，急需一种喷嘴尺寸小、加工成本低、能够打印高粘度溶液、不容易堵塞的3D打印喷头。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种喷嘴尺寸小、加工成本低、能够打印高粘度溶液、不容易堵塞的纸基微流控装置及3D打印喷头，实用新型的内容如下：

一种3D打印的纸基微流控装置，包括供料系统和喷嘴，所述供料系统包括输运通道和溶液槽；所述输运通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；所述输运通道与所述喷嘴为一体式设置；所述输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部；所述狭窄部为喷嘴，用于打印溶液喷出口；所述溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液。

一种3D打印喷头，包括上述的纸基微流控装置。

进一步地，还包括保护套，所述保护套设置在所述输运通道外侧，所述保护套一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至所述喷嘴，用于避免所述输运通道传输的溶液蒸发和受污染；所述保护套外侧设置有固定板，用于固定所述保护套。

进一步地，所述长条形纸张制成筒形或柱形结构，所述喷嘴为锥形结构。

进一步地，所述喷嘴狭窄部结构为尖型或圆弧型。

进一步地，所述喷嘴布置形式为单喷嘴或多喷嘴中的一种。

一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，包括上述任一项所述的3D打印喷头。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的纸基微流控装置和3D打印喷头，其采用纸张作为3D打印喷头的输运通道和喷嘴，制作材料容易制得而且成本低廉，其微纳纤维通道使得打印的微纳结构线宽更小。纸张作为纸基微流控芯片本身自带过滤功能，使得溶液输运至喷嘴时，避免了污染及喷嘴堵塞问题，因此，可以打印高浓度的打印溶液。另外，打印溶液在毛细作用下，将无动力的输运至打印喷嘴，适用于一些资源受限、设备匮乏等场合应用。

附图说明

图1 3D打印喷头结构示意图

图2喷嘴部分放大示意图

图3 3D打印装置结构示意图

图4单尖型喷嘴结构

图5阵列尖型喷嘴结构

图6单圆弧型喷嘴结构

图7阵列圆弧型喷嘴结构

其中，1-控制主机，2-高压直流电源，3-Z轴移动平台，4-第一溶液槽，5-第二溶液槽，6-第三溶液槽，7-X轴移动平台，8-保护套，9-固定板，10-线圈，11-第一纸芯片喷嘴，12-第二纸芯片喷嘴，13-第三纸芯片喷嘴，14-工作台，15-Y轴移动平台，16-控制面板，17-机架，18-CCD 摄像机，19-单尖型喷嘴结构，20-阵列尖型喷嘴结构，21-单圆弧型喷嘴结构，22-阵列圆弧型喷嘴结构。

具体实施方式

一种3D打印的纸基微流控装置，包括喷嘴和供料系统，供料系统包括输运通道和溶液槽；输运通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；输运通道与喷嘴为一体式设置；输运通道一端插置于溶液槽内，另一端为狭窄部，所述狭窄部作为喷嘴，用于为打印溶液喷出口；溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液。

一种3D打印喷头，包含上述纸基微流控装置，其输运通道的外侧设置有保护套，保护套为闭合式几何结构，一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至喷嘴，用于避免输运通道传输的溶液蒸发和受污染；保护套外侧设置有固定板，用于固定保护套。

本实施例中将输运通道与喷嘴的组合体称为“纸芯片喷嘴”。本实施例中设置了第一纸芯片喷嘴11、第二纸芯片喷嘴12和第三纸芯片喷嘴13三组，纸芯片喷嘴一端插置于溶液槽内，另一作为喷嘴即打印溶液喷出口；同样本实施例中也设置对应的三组第一溶液槽4、第二溶液槽5和第三溶液槽6。输运通道和喷嘴的材质可以为纸张，所选纸张可以为滤纸、层析纸或硝酸纤维素膜，本实施例中纸芯片喷嘴的纸张选用滤纸。纸芯片喷嘴的主体结构可以为长条形、圆筒形或其他几何形状，本实施例中选用长条形。纸芯片喷嘴的狭窄部结构形式为带尖部几何形，本实施例中为三角形，三角形尖部作为喷嘴。当输运通道的纸张为圆筒形时，喷嘴的结构为圆锥结构。喷嘴的尖部为尖型或圆弧形，本实施例中选用尖型喷嘴设置。

纸芯片喷嘴的外侧设置有保护套8，保护套8可以为圆筒形、圆台形或棱柱形等几何形状，本实施例中保护套8的形状为圆筒形，其一端固定连接于溶液槽，另一端至喷嘴，用于避免纸芯片喷嘴传输的溶液蒸发和污染；保护套8为陶艺层保护套，保护套8外侧设置有固定板9，用于固定保护套8。保护套8与溶液槽之间的连接方式可以为粘接、铆接或标准件连接，优选为粘接。打印溶液的材料为PI、PVDF、PCL、PLA、PLGA或PVA。

一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，见图3，本实施例中所采用的装置包含控制主机1、高压直流电源2、Z轴移动平台3、第一溶液槽4、第二溶液槽5、第三溶液槽6、X轴移动平台7、保护套8、固定板9、线圈10、第一纸芯片喷嘴11、第二纸芯片喷嘴12、第三纸芯片喷嘴13、工作台14、Y轴移动平台15、控制面板16、机架17、CCD摄像机18。

控制主机1由控制面板16用于控制Z轴移动平台3、X轴移动平台7、Y 轴移动平台15的移动；溶液槽固定安装于X轴移动平台7，保护套8靠近喷嘴处设置有线圈10，线圈10可以为环形、方形等中空结构，优选为环形，保护套8和纸芯片喷嘴放入线圈10内。高压直流电源2的正极端与线圈10连接，负极端与工作台14连接，在打印时用于提供高压电场，使得溶液产生射流；X轴移动平台7用于提供X方向上的移动，固定在Z轴移动平台3上，Z 轴移动平台3用于提供Z轴方向上的移动，固定在机架17上；第一溶液槽4、第二溶液槽5、第三溶液槽6可以分别装三种不同种类的溶液，可实现多材料打印；第一纸芯片喷嘴11、第二纸芯片喷嘴12、第三纸芯片喷嘴13的上端分别插入溶液槽内，用于溶液向下的自输运作用；纸芯片喷嘴外面陶艺层保护套8，保护套8一端固定于溶液槽，另一端与固定板9连接，防止溶液蒸发和受污染；工作台14放置在Y轴移动平台15上，用于承载打印物件，Y轴移动平台产生Y轴方向的移动，固定在机架17上；控制面板16安装在机架部分下方，用于整个平台的打印控制；另外，在打印过程中，采用CCD摄像机18观测打印过程并进行调节。

纸芯片喷嘴结构形式可以是尖型喷嘴结构和圆弧形喷嘴结构，其中尖型喷嘴结构分为单尖型喷嘴结构19(见图4)，阵列尖型喷嘴结构20(见图5)；圆弧形喷嘴结构分为单圆弧型喷嘴结构21(见图6)和阵列圆弧型喷嘴结构 22(见图7)。尖型喷嘴和圆弧喷嘴产生的射流大小不同，因此最终打印的线宽也有区别；单喷嘴结构可以产生单线打印，而阵列型喷嘴结构可以一次性打印阵列的结构。

本实施例的工作原理：主要采用纸张作为3D打印喷头的输运通道和喷头，溶液在毛细作用下自输运到打印喷嘴处，在静电驱动的作用下，溶液在喷嘴处受电场力拉伸形成射流，按照设定的路径，在基底上形成微纳图案。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围的。

Claims

1.一种3D打印的纸基微流控装置，其特征在于：包括供料系统和喷嘴，所述供料系统包括输运通道和溶液槽；所述输运通道为长条形纸张，用于打印溶液的输送；所述输运通道与所述喷嘴为一体式设置；所述输运通道一端插置于溶液槽内，另一端设置有狭窄部；所述狭窄部为喷嘴，用于打印溶液喷出口；所述溶液槽为液体存放容器，用于存放打印溶液。

2.一种3D打印喷头，其特征在于：包括权利要求1所述的纸基微流控装置。

3.根据权利要求2所述的3D打印喷头，其特征在于，还包括保护套，所述保护套设置在所述输运通道外侧，所述保护套一端固定连接于溶液槽底部，另一端延伸至所述喷嘴，用于避免所述输运通道传输的溶液蒸发和受污染；所述保护套外侧设置有固定板，用于固定所述保护套。

4.根据权利要求2所述的3D打印喷头，其特征在于：所述长条形纸张制成筒形或柱形结构，所述喷嘴为锥形结构。

5.根据权利要求2所述的3D打印喷头，其特征在于：所述喷嘴狭窄部结构为尖型或圆弧型。

6.根据权利要求5所述的3D打印喷头，其特征在于：所述喷嘴布置形式为单喷嘴或多喷嘴中的一种。

7.一种基于纸基微流控的静电3D打印装置，其特征在于：包括权利要求2至6任一项所述的3D打印喷头。