一种纳米级高精度增材制造设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种纳米级高精度增材制造设备，包括：打印平台；打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距满足特点要求。本实用新型专利技术实现纳米级2D及3D增材制造得益于高压脉冲电流体动力喷射、纳米级打印头以及约束磁场，可解决现有技术无法实现的高精度纳米级材料的构建，尤其是在电子电路板印刷、纳米储能、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等方面的不足和局限性。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级高精度增材制造设备
本技术属于增材制造
，尤其涉及一种纳米级高精度增材制造设备。
技术介绍
在电子印刷领域，随着电子元件的微型化，对电子印刷精细度要求越来越高，如电路板、触摸屏、生物传感器、RFID天线、原电池指纹照相等。使用网版印刷70μm以下的细线条，可能会受到网版本身的限制，另一方面也会受到印浆的限制。网版的限制主要是网版的目数和网丝的厚度，而印浆的限制则是印浆的颗粒尺寸、黏度和流变特性。尽管这些因素可以进行优化，但有较多的因素会影响到精细电子印刷的开创活动，现阶段，国内外通过电子束，激光束曝光光刻胶制备封装电路板的极限大于10微米，并具有设备非常昂贵(几千万或者上亿美元一台)、工作条件苛刻(需要在高真空条件下工作)、工序复杂、成本高、后期酸碱腐蚀污染严重等缺点。在纤维复合材料制备领域，比如，传统Cf/C(碳纤维/碳复合材料)、SiCf/SiC(碳化硅纤维/碳化硅复合材料)制作过程，都是使用二次编制工艺，使用拉丝工艺制备碳或者碳化硅纤维丝，再经过编制工艺制作碳或者碳化硅纤维框架。由于拉丝纤维二次编织，工序复杂，纤维和纤维之间相对独立，整体性差，所制备的复合材料不能打孔、不能二次加工。另外，在仿生、生物医疗工程、微纳电机系统、纳米储能材料、生物芯片、太阳能电池、生物医学、柔性电子材料、高通量制备等许多领域对于复杂2D和3D纳米构成部件都有着强烈的科研和产业需求。但是现有设备和技术在精度、成本、性能等各个方面都无法满足人们对产品性能和技术层面的需求。增材制造(AdditiveManufacturing，AM)俗称3D打印，近二十几年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造(RapidPrototyping”、“三维打印(3DPrinting)”、“实体自由制造(SolidFree-formFabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。金属3D打印，是在高真空下，利用高能激光束或电子束熔化金属粉形成熔池，再快速冷却，固化，逐层打印形成模型。目前，金属3D打印仍然面临，激光器和电子束热源价格昂贵，制造精度不能达到直接使用的标准(目前金属3D打印的零件精度都在0.1mm到5mm之间，无法再提高)；熔池冷却时，孔隙大，残余应力大，力学性能非常差的缺点。高分子及陶瓷材料3D打印，主要有熔融沉积制造(FDM)，立体光固化成型(SLA)，通过熔化凝固或者光固化高分子材料形成模型，通过烧结也可以制备3D打印陶瓷材料。设备便宜，但是也面临精度差，打印材料种类有限的缺点。为了提高打印精度，现有技术中已存在相关专利及文献记载，如专利号为CN201711405648中国专利技术专利，公开了一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印机及其工作方法，采用高压脉冲电源，在背压作用下，被挤出到打印喷嘴尖端的微熔滴拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力超过熔体的表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射产生极细的射流，实现微熔滴在基板上精准沉积。但是仍然存在如下不足：第一，使用的移动平台为精度较差的步进电机，不带光栅尺，定位误差达到20微米以上。第二，使用喷头为普通针头或滴胶，内径为亚微米级别，以致成型液滴尺寸大(如图所示)，大于50微米。第三，使用气压驱动的打印模式，在停止瞬间会有极大延迟，停止气动后仍然会挤出打印液。第四，带电液滴在高电压驱动下会有螺旋横向运动趋势(如图所示)，导致滴落的液滴不能准确沉积在目标位置，且误差较大，从而影响精度，因而极大的限制了该技术的应用。专利号为CN105364073B中国专利技术专利，公开了一种基于磁场调控的3D金属打印系统及其打印方法，该专利虽然在3D打印中利用了磁场，但是其原理是利用洛伦兹力偏转带电金属液滴原理，将垂直的液滴通过X、Y两方向磁场偏转至目标点。该技术液滴在磁场中经过的距离越大，偏转厉害，精度无法控制。专利号为CN201620744062.8中国技术专利，公开了一种基于电磁发射技术的的3D打印装置，该专利和专利CN201620744062.8类似，虽然在3D打印中利用了磁场，但是只是利用磁场力推动喷出带电液滴到达至目标点。但是磁场力对于带电液滴驱动力弱，很难实现拉出超细液滴，打印精度有限，主要用于生物材料打印。
技术实现思路
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术的目的之一在于提供一种打印精度高、打印速度快的纳米级高精度增材制造设备。为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：一种纳米级高精度增材制造设备，包括：打印平台；打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：D＝N×T×V平其中，m为从打印喷头喷出的每滴打印介质的质量，q为每滴打印介质所带电量，T为每滴打印介质在匀强磁场中的回转周期，B为匀强磁场的强度，V平为每滴打印介质平行于B的速度分量，N为正整数，π为圆周率。优选的，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：D＝N×T×V平进一步的，所述打印平台与所述打印喷头之间设有通以励磁电流的螺线管，使其内部产生所述均强磁场。进一步的，所述喷嘴的喷口处进行圆角处理呈喇叭状。进一步的，还包括纳米级定量挤出装置，所述纳米级定量挤出装置包括基座、与基座滑动连接的滑块、与滑块螺旋连接的螺杆、与螺杆传动连接的驱动机构及料筒，所述料筒内匹配滑动设置有与滑块固定连接的挤出杆，所述滑块在螺杆的作用下作线性运动带动挤出杆将料筒内的物料输送至打印喷头。进一步的，还包括设置在打印喷头一侧实时监控打印作业的高强数码显微镜。进一步的，所述打印喷头的喷嘴内径为30nm-60nm。进一步的，所述喷嘴到打印平台的距离为20um-1mm。进一步的，所述打印介质为液体、熔融体或悬浮液。进一步的，还包括三维运动机构，所述三维运动机构包括X、Y、Z三个方向的运动机构，所述X、Y方向运动机构承载所述打印平台，所述Z方向运动机构上设置打印喷头。进一步的，所述Z方向运动机构通过单轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率001μm-0.03μm，电机有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，推力75-125N，所述X、Y方向运动机构通过双轴直线电机驱动且带编码器和光栅尺，编码器分辨率001μm-0.03μm，电机单轴有效行程100mm-300mm，最高速度0.7-0.9m/s，重复精度0.03-0.06微米，X轴推力200-400N，Y轴推力75-125N。进一步的，还包括气垫隔震平台，所述X、Y方向运动机构设置在所述气垫隔震平台上。进一步的，还包括与气垫隔震平台连接的龙门架，所述Z方向运动机构固定在所述龙门架的横梁上。进一步的，多个打印喷头成排布置在打印喷头正上方上，相邻两个打印喷头之间的距离需满足喷出的滴状打印介质作螺旋运动时不相互干扰。优选的，打印喷头喷孔最小墨滴1.5pl。进一步的，对金属或塑料打印时，纳米级定量挤出装置还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米级高精度增材制造设备，包括：打印平台；打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；其特征在于：所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：D＝N×T×V平其中，

【技术特征摘要】
1.一种纳米级高精度增材制造设备，包括：打印平台；打印喷头，设置在所述打印平台正上方且在打印平台与打印喷头的导电喷嘴之间施加有高压脉冲电源；其特征在于：所述打印平台与所述打印喷头之间还设有垂直于所述打印平台的匀强磁场，所述打印平台与打印喷头之间的间距D满足如下关系式：D＝N×T×V平其中，m为从打印喷头喷出的每滴打印介质的质量，q为每滴打印介质所带电量，T为每滴打印介质在匀强磁场中的回转周期，B为匀强磁场的强度，V平为每滴打印介质平行于B的速度分量，N为正整数，π为圆周率。2.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述打印平台与所述打印喷头之间设有通以励磁电流的螺线管，使其内部产生所述匀强磁场。3.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：所述喷嘴到打印平台的距离为20um-1mm。4.根据权利要求1所述的纳米级高精度增材制造设备，其特征在于：与打印喷头连接的纳米级定量挤出装置包括基座、与基座滑动连接的滑块、与滑块螺旋连接的螺杆、与螺杆传动连接的驱动机构及料筒，所述料筒内匹配滑动设置有与滑块固定连接的挤出杆，所述滑块在螺杆的作...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，张睿智，黄靖栋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43