一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，它解决了现有3D打印在分辨率、稳定性和可控性多方面存在的问题，它能够实现多层结构高精度打印，打印过程实时观测和监控，导电材料在绝缘衬底上高精度图案打印，其技术方案为：包括安装底板，所述安装底板上设置Y轴工作台，Y轴工作台上固定真空吸附平台，真空吸附平台上吸附打印基板，所述打印基板上方对应设置打印喷嘴和垂直观测相机，打印喷嘴和垂直观测相机连接于Z轴工作台，Z轴工作台固定于X轴工作台；所述打印喷嘴一侧对应设置有斜视观测相机，打印喷嘴另一侧对应设置LED光源和远红外固化光源；所述打印喷嘴与储料瓶连通，储料瓶设置于升降台上。

A high precision electric field driven jet deposition 3D printer

The utility model discloses a high precision electric field driven jet deposition 3D printer. It solves the problems existing in the resolution, stability and controllability of the existing 3D printing. It can realize the high precision printing of the multilayer structure, the real-time observation and monitoring of the printing process, and the high precision pattern printing on the insulating substrate. The technical scheme includes: installing the bottom plate, setting the Y shaft working table on the installation floor, fixing the vacuum adsorption platform on the Y shaft working table, and adsorbing the printing substrate on the vacuum adsorption platform. The printing nozzles and vertical observation cameras are arranged on the top of the printing plate, and the printing nozzle and the vertical observation camera are connected to the Z axis. The Z axis work table is fixed on the X shaft working table, and one side of the printing nozzle corresponds to a strabismus observation camera, and the other side of the printing nozzle corresponds to the setting of the LED light source and the far infrared curing light source; the printing nozzle is connected with the storage bottle, and the storage bottle is set on the lifting platform.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机
本技术涉及增材制造和3D打印
，特别是涉及一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机。
技术介绍
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(aerosoljet)、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(ElectrohydrodynamicJetPrinting，E-jetprinting)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。因此，现有材料喷射沉积3D打印技术在打印材料、分辨率、接收衬底(基材)等存在诸多的不足和局限性，无法实现高分辨率图形打印，尤其是无法实现高分辨率多层结构打印以及复杂三维微纳结构的打印，尤其是无法实现导电材料在绝缘衬底上高精度打印，不具有对打印过程中的实时监控和观测的能力。打印过程中的稳定性和可控性差。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本技术提供了一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，它能够实现多层结构高精度打印，打印过程实时观测和监控，导电材料在绝缘衬底上高精度图案打印，尤其是能够实现宏/微三微结构的高效和高精度3D打印，解决了宏/微跨尺度一体化打印的难题，同时扩大了可控打印材料和基板使用的种类和范围，提高打印稳定性、可靠性和连续性；本技术采用的实现方案为：(1)采用导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连接，利用静电感应，形成稳定电场。(2)引入交流高压电源，在绝缘衬底上打印导电材料时，采用交流高压电源。(3)采用偏置电压+高压直流脉冲电压，利用偏置电压控制泰勒锥的形貌和尺寸，通过高压直流脉冲电压实现稳定锥射流喷射，由于偏置电压的引入，实现锥射流喷射的电压显著降低，能够获得更小的微液滴，极大提高打印精度；同时由于偏置电压持续不断进行电荷补给，能够显著提高所用高压直流脉冲电压的频率，提高打印的效率。(4)设置三种打印模式：脉冲锥射流模式；连续锥射流模式；交流高电压打印模式。其中连续锥射流模式采用高压直流电压；脉冲锥射流模式采用偏置电压+高压直流脉冲电压；交流高压打印模式采用交流高电压。使用脉冲锥射流模式打印微特征结构，确保被打印微特征结构的精度/分辨率(精度优先)；采用连续锥射流模式打印宏观形状特征，在满足精度前提下实现高效打印(兼顾精度，效率优先)；采用交流高电压打印模式，实现导电材料在绝缘衬底上打印时。(5)引进一种新的供料方法和装置，能够实现微量液体连续稳定供料，确保打印过程中的供料和压力的稳定性。传统电喷印的供料方式，打印过程中背压和供料不稳定，无法实现高精度打印，尤其是打印过程中的稳定性差，严重影响打印图形的一致性和高精度。(6)结合远红外固化光源和具有加热功能的打印平台，能够实现打印结构的快速固化，提高多层打印的精度，同时显著提高打印效率。具体的，本技术采用下述技术方案：一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，包括安装底板，所述安装底板上设置Y轴工作台，Y轴工作台上固定真空吸附平台，真空吸附平台上吸附打印基板，所述打印基板上方对应设置打印喷嘴和垂直观测相机，打印喷嘴和垂直观测相机连接于Z轴工作台，Z轴工作台固定于X轴工作台；所述打印喷嘴一侧对应设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，其特征是，包括安装底板，所述安装底板上设置Y轴工作台，Y轴工作台上固定真空吸附平台，真空吸附平台上吸附打印基板，所述打印基板上方对应设置打印喷嘴和垂直观测相机，打印喷嘴和垂直观测相机连接于Z轴工作台，Z轴工作台固定于X轴工作台；所述打印喷嘴一侧对应设置有斜视观测相机，打印喷嘴另一侧对应设置LED光源和远红外固化光源；所述打印喷嘴与储料瓶连通，储料瓶设置于升降台上；所述安装底板上设置龙门架，龙门架包括与安装底板连接的龙门架支架，龙门架支架顶部设置龙门架横梁，X轴工作台固定于龙门架横梁上；所述Z轴工作台连接有喷嘴支架，喷嘴支架上固定有喷嘴座，所述打印喷嘴固定于喷嘴座上；所述Z轴工作台上固定Z轴安装平台，Z轴安装平台上固定垂直相机支架，垂直观测相机固定于垂直相机支架上；所述垂直观测相机设置于打印喷嘴一侧，且与安装底板垂直；所述Z轴安装平台上固定斜视相机支架，斜视观测相机固定于斜视相机支架上；所述斜视观测相机与安装底板具有夹角，夹角可在0‑80度之间调节；所述LED光源和远红外固化光源固定于光源支架上，光源支架固定于Z轴安装平台上；所述LED光源和远红外固化光源与安装底板具有夹角，夹角可在0‑80度之间调节；所述储料瓶与背压调节模块连接；所述打印喷嘴与高压脉冲电源正极连接，高压脉冲电源与信号发生器连接。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，其特征是，包括安装底板，所述安装底板上设置Y轴工作台，Y轴工作台上固定真空吸附平台，真空吸附平台上吸附打印基板，所述打印基板上方对应设置打印喷嘴和垂直观测相机，打印喷嘴和垂直观测相机连接于Z轴工作台，Z轴工作台固定于X轴工作台；所述打印喷嘴一侧对应设置有斜视观测相机，打印喷嘴另一侧对应设置LED光源和远红外固化光源；所述打印喷嘴与储料瓶连通，储料瓶设置于升降台上；所述安装底板上设置龙门架，龙门架包括与安装底板连接的龙门架支架，龙门架支架顶部设置龙门架横梁，X轴工作台固定于龙门架横梁上；所述Z轴工作台连接有喷嘴支架，喷嘴支架上固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，周贺飞，张广明，赵佳伟，钱垒，朱晓阳，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：新型
国别省市：山东,37