一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置及方法，将打印原料装入推注系统，在针头处形成打印原料的球形液滴；在针头和接收板上施加交流高压电，使针头和接收板之间形成交变高压电场，在交变高压电场的作用下，打印原料形成单一射流，沉积到接收板上形成微纳米纤维；接收板的温度稳定在打印原料的熔点以下，使得微纳米纤维固化；控制接收板运动，得到三维模型的分层截面；依次遍历三维模型的各分层，完成三维模型的打印。本发明专利技术能够有效提高三维打印的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维打印微纳结构的装置及方法，属于快速成型

技术介绍
三维打印技术是通过逐层打印的方式来构造物体的一种快速成型技术。工程塑料是被应用的最为广泛的一种三维打印材料，其打印方式基本上是通过原料挤出的方式逐层打印的，但由于受到喷头直径的限制以及纤维挤出后的膨胀效应，使得挤出的纤维直径较粗，导致以此堆积而成的三维结构精确度较差，不能满足微纳结构的打印要求。静电纺丝是一种制备微/纳米纤维最简单、方便的方法之一，因为装置简单、成本较低而被各领域的研究人员所青睐。电纺纤维已被广泛应用生物医学工程、过滤材料、高效催化、光电器件等各个领域。在高压电场的作用下，液滴的稳定性被破坏，形成细小的射流，在库仑力的作用下，加速沉积到接收板上，形成微/纳米纤维。然而，随着纺丝时间的延长，沉积在接收板上的纤维累积，对电场分布产生严重的影响，进而影响射流的形成以及纤维的进一步沉积。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置及方法，把改进的电纺技术应用于三维打印技术中，从而提高三维打印的精度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，包括交流高压电源发生器、推注系统以及接收系统；所述的接收系统包括接收板、控温系统以及三维运动系统；所述的控温系统使得接收板的温度稳定在打印原料的熔点以下；所述的三维运动系统使接收板在空间中沿XYZ轴任意运动；所述的推注系统中装入打印原料，通过针头将打印原料出射沉积到接收板上；所述交流高压电源发生器的输出端两极分别连接针头和接收板，在针头和接收板之间形成交变高压电场。所述的针头与接收板垂直放置。所述交流高压电源发生器的输出电压波形为正弦波，有效值为3-10kV，频率为40-200Hz。所述打印原料为静电纺丝聚合物，包括但不限于聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯。本专利技术还提供一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的方法，包括以下步骤：1)构建待打印微结构的三维模型，并对三维模型进行分层处理，获得各分层的轮廓信息和填充信息；2)将打印原料装入推注系统，在针头处形成打印原料的球形液滴；在针头和接收板上施加交流高压电，使针头和接收板之间形成交变高压电场，在交变高压电场的作用下，打印原料形成单一射流，沉积到接收板上形成微纳米纤维；接收板的温度稳定在打印原料的熔点以下，使得微纳米纤维固化；3)控制接收板运动，得到三维模型的分层截面；依次遍历三维模型的各分层，完成三维模型的打印。所述三维模型每一分层的厚度为0.001-0.2mm。所述针头与接收板的距离为1-10mm。所述接收板相对针头的运动速度为0.5-5m/min。所述推注系统的推注速率为0.5-3ml/h。本专利技术的有益效果是：采用交流高压电源后，在交变高压电场的作用下，针尖处的液滴周期性地被拉伸，液滴表面的不稳定性加剧，当电场力大于表面张力时，液滴的表面会形成细小的射流，该射流的表面电荷极性周期性地改变，进而可使射流所带的电荷可以被自身中和，避免了后续新形成的射流因带同种电荷而被排斥，导致新形成的纤维不易沉积到接收板上。采用交变高压电场，还可以有效地增加纤维沉积的厚度。采用交变高压电场后，纤维可在绝缘接收板上沉积，有效地避免纤维持续堆积而导致电场分布发生变化，提高纤维在接收板上的沉积精度以及沉积厚度。附图说明图1是本专利技术的工作原理图；图中，①-推注系统，②-控温仪，③-加热套筒，④-交流高压电源，⑤-XYZ运动系统，⑥-恒温台。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术提供的一种利用交流电纺丝实现三维打印微结构的装置，交流高压电源发生器、推注系统以及接收系统；所述的接收系统包括接收板、控温系统以及XYZ运动系统，使接收板可以保持某一恒定温度并沿XYZ轴任意运动，推注系统的针头与接收板垂直放置。打印原料装入推注系统，使其在针头处形成球形液滴，将交流电源分别接在针头处以及接收板上，使其在针头和接收板之间形成交变高压电场，在交变高压电场的作用下，液滴的稳定性被破坏，形成细小的单一射流，在库仑力的作用下，加速沉积到接收装置上形成微/纳米纤维，通过调节接收板的控温系统使接收板稳定在打印材料熔点以下的某一恒定温度，使沉积到接收板上的微/纳米纤维迅速固化，并且可以与新形成的微/纳米纤维紧密结合，不被破坏。通过控制运动系统，使其运动路径与分层信息相一致，得到分层的截面。每完成一层的电纺后，使XYZ运动平台沿Z轴下降一层的高度。依次循环直至完成所有的分层结构。所述高压电源为交流高压电源，输出电压波形为正弦波，有效值为3-10kV，频率为40-200Hz。所述打印原料为可静电纺丝的聚合物，通过使用溶剂或加热的方法制备为具有一定粘度的均一溶液，包括聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等。所述的三维微纳结构每一分层的厚度为0.001-0.2mm。所述针头与接收板的距离为1-10mm。所述针头与接收板的相对运动速度为0.5-5m/min。所述推注速率为0.5-3ml/h。本专利技术所述的一种利用交流电纺丝实现三维打印微结构的方法，包括以下具体步骤：(1)利用计算机绘制预打印微结构的三维结构模型，并对其做分层处理，得到预打印微结构的分层信息，并导入接收装置的运动系统中；上述每一分层的厚度为0.001-0.2mm。(2)将打印原料溶剂溶解或加热熔融后装入推注系统，调整推注速率在0.5-2ml/h之间，分别将交流高压电源的两端与针头和接收板相连接，使针头和接收板之间形成交变高压电场，调节交流高压电源的输出电压为3-10kV，然后调整针头和接收板之间的距离在1-10mm之间，使被推出的液滴可以在交变高压电场的作用下，表面的稳定性被破坏，形成细小射流，在库仑力的作用下，加速沉积到接收装置上形成微/纳米纤维，通过调节接收板的控温系统使接收板稳定在打印材料熔点以下的某一恒定温度，使沉积到接收板上的微/纳米纤维迅速固化，并且可以与新形成的微/纳米纤维紧密结合，不被破坏。(3)通过控制运动系统，使其运动路径与分层信息相一致，每完成一层的电纺即可得到一个分层的截面。每完成一个截面的电纺，使接收板沿Z轴下降一个分层厚度的高度，依次循环直至完成所有的分层结构。实施例一1)绘制预打印微结构的三维模型，并做分层处理，使每一分层厚度为0.02mm，得到预打印微结构的分层信息，导入运动控制系统，使其接收板的运动路径和分层信息相一致。2)将聚己内酯颗粒装入带有不锈钢针头的玻璃注射器中加热至150℃使其熔融，保温4h以上并排除气泡，放置推注泵上，调整推注速率为0.9ml/h；将交流高压电源的两端分别与针头和接收板相接，调整交流高压电源使其输出为正弦波，有效输出电压为5kV，频率为50Hz，使其在针头和接收板之间形成交变高压电场；调整接收板和针头的距离为5mm，使被推注出的液滴在交变高压电场的作用下，形成微小细流，通过库仑力的拉伸，进一步形成微纳米纤维而沉积在运动的接收板上；调整接收板的移动速率为2m/min，使沉积在接收板上的纤维无扭曲，笔直而连续；调节接收板上的控温系统，使其恒定在50℃，该温度可以使沉积在接收板上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，包括交流高压电源发生器、推注系统以及接收系统，其特征在于：所述的接收系统包括接收板、控温系统以及三维运动系统；所述的控温系统使得接收板的温度稳定在打印原料的熔点以下；所述的三维运动系统使接收板在空间中沿XYZ轴任意运动；所述的推注系统中装入打印原料，通过针头将打印原料出射沉积到接收板上；所述交流高压电源发生器的输出端两极分别连接针头和接收板，在针头和接收板之间形成交变高压电场。

【技术特征摘要】
1.一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，包括交流高压电源发生器、推注系统以及接收系统，其特征在于：所述的接收系统包括接收板、控温系统以及三维运动系统；所述的控温系统使得接收板的温度稳定在打印原料的熔点以下；所述的三维运动系统使接收板在空间中沿XYZ轴任意运动；所述的推注系统中装入打印原料，通过针头将打印原料出射沉积到接收板上；所述交流高压电源发生器的输出端两极分别连接针头和接收板，在针头和接收板之间形成交变高压电场。2.根据权利要求1所述的利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，其特征在于：所述的针头与接收板垂直放置。3.根据权利要求1所述的利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，其特征在于：所述交流高压电源发生器的输出电压波形为正弦波，有效值为3-10kV，频率为40-200Hz。4.根据权利要求1所述的利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的装置，其特征在于：所述打印原料为静电纺丝聚合物，包括但不限于聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯。5.一种利用交流电纺丝实现三维打印微纳结构的方法，其特征在于包括下述步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹大川，何凤利，柳洋阳，李大为，何进，刘雅丽，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61