[发明专利]一种集成喷头电场驱动微纳3D打印装置及其工作方法

说明书

本发明公开了一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置及其工作方法，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。

技术领域

本发明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打印装置及其工作方法。

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。