[发明专利]一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头

说明书

本发明公开了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线，其技术方案为：包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，送料模块与混料模块连接；混料模块包括混料筒，混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；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。

技术领域

本发明涉及增材制造和多材料3D打印技术领域，特别是涉及一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头。

背景技术

随着科学技术的突飞猛进，大型结构件的轻量化生产，柔性电子产品的高精制造等领域都对材料的性能提出了越来越严和越来越多的要求，复合材料由于其优异的性能在各个行业中得到了广泛的应用，3D打印作为一种新兴增材制造方法也被用来研究制造复合材料，因此现有3D打印机应具有如下能力：实现多材料主动混合，增强材料物理、机械等性能；制备多功能梯度材料，并能在各种功能材料打之间精确、不间断切换；实现高精、高效、高分辨率打印等。

现有的多材料电喷印3D打印方法包括多喷头方案以及螺杆搅拌方案，然而基于这两种方案存在诸多不足和局限性。例如，基于多喷头方案存在：(1)多喷头结构复杂，设备成本高；(2)喷头之间需要频繁切换，打印效率低；(3)无法实现多材料主动混合；(4)受喷头配置数量的限制，一次性可打印材料种类数量受限。另外，多材料成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料，打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状态的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。基于螺杆搅拌方案存在：(5)搅拌腔与打印头一体化设计，导致多材料混合不充分，打印结构件功能性差；(6)打印过程不能及时补充混合好的材料，打印效率低。因此，现有的多材料电喷印3D打印技术难以实现多材料多尺度结构稳定、高效一体化制造。

电流体动力喷射打印(Electro hydrodynamic Jet Printing，E-jet)是一种基于电流体动力学(EHD)微液滴喷射沉积成形技术，与传统喷印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，EHD喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。打印分辨率不受喷嘴直径的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造。而且可用于电喷印的材料范围非常广泛。因此，与现有的3D打印技术相比，电喷印技术具有材料兼容性好(适用材料广泛，特别是许多高粘度材料)、分辨率高的特点，然而基于电喷印方法同样存在着诸多不足和局限性：(1)打印高度受限；(2)无法实现共形打印；(3)接收衬底材料受限；(4)气动供料，无法实现出液量的精确控制。

因此，为了克服现有多材料电喷印3D打印在多材料、宏/微/纳多尺度结构一体化制造方面的存在的不足和缺陷，实现“功能驱动的结构、材料、性能设计和制造一体化无缝集成”，将材料、微结构、宏观结构等设计要素与功能需求目标结合，实现复杂组织结构控形、控性制造(尤其是通过多材料、微结构布置改进优化产品的性能，增加新的功能)，满足新材料开发、生物医疗、电子产品、组织工程、MEMS、可穿戴电子设备、4D打印等研发和规模化生产的实际需求，迫切需要开发新的多材料、多尺度3D打印工艺和装备。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线；实现了多材料、多尺度结构的高精、高效、稳定、一体化制造，提高了3D打印控形、控性的能力。