[发明专利]一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造和3D打印技术领域，特别是涉及一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机及其工作方法。

背景技术

材料喷射沉积3D打印是基于微滴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(NanoParticle Jetting)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100cP)，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/衬底(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，以及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3D打印在诸多方面具有非常显著和突出的优势。但是，电流体动力喷射3D打印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)难以实现高精度多层打印，多层打印对正的问题无法保证；(2)通常打印图形或结构特征尺寸非常小(微纳尺度)，而且打印速度非常高，喷嘴与基板的距离非常小，难以对打印过程进行实观测和时监控，打印图形的精度和质量无法控制；(3)现有的注射泵供料等方式，存在供料的精度和稳定性差，无法满足高精度图形打印的要求；(4)难以实现导电材料在绝缘基材(衬底)上高精度和稳定可靠的打印。由于导电材料在绝缘基板(基材)上的积聚，严重影响电场的稳定性，进而对于打印图形的精度、质量和打印过程的稳定产生不利的影响；(5)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(约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，同时也无法真正实现3D打印；(6)接收基板/衬底(基材)材料受限，接收衬底(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，需要进行导电处理；(7)对于衬底的形貌和平整度要求高，为保证电场稳定，电喷印通常只适用衬底一定高度变化范围内进行，难以在已有实物(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，无法实现真正的3D打印；(8)打印材料受限，电喷印工作过程中导电喷嘴上需要施加很高的高压，某些细胞或者生物活性组织材料的打印受限。此外，一些金属材料或者导电性非常好的材料打印过程中容易产生短路放电现象，打印过程稳定性差，因此，电喷印在生物材料和金属材料打印方面面临很大的限制；(9)打印宏尺度结构和大尺寸零件时，效率低。