一種電場驅動熔融噴射沉積3D列印裝置及其工作方法與流程

2023-11-02 04:20:02

本發明涉及增材製造和3d列印技術領域，特別是涉及一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置及其工作方法。

背景技術：

材料噴射沉積3d列印是基於微滴噴射原理選擇性沉積成形材料的一種增材製造方法，目前國際上提出已經提出多種材料噴射沉積3d列印工藝，主要包括噴墨(熱泡或者壓電)列印、氣溶膠噴射(aerosoljet)、聚合物噴射(polyjet)、納米顆粒噴射技術(nanoparticlejetting)等。但是，這些傳統材料噴射沉積成形材料受限，要求列印材料的粘度較低(通常小於100cp)，可供列印材料種類有限，列印解析度不高，目前還難以實現亞微尺度解析度的列印(傳統噴墨列印圖形的最小線寬一般低於20微米)，尤其是還難以實現宏/微跨尺度製造，以及無法實現多材料多尺度一體化3d列印。在異質材料多層次複雜三維結構製造方面面臨著巨大的挑戰。

電流體動力噴射列印(electrohydrodynamicjetprinting，e-jetprinting)亦稱為電噴印，是近年由park和rogers等提出和發展的一種基於電流體動力學(ehd)的微液滴噴射成形沉積技術。與傳統噴墨列印技術(熱噴印、壓電噴印等)採用「推」方式不同，電流體動力噴射列印採用電場驅動以「拉」方式從液錐(泰勒錐)頂端產生極細的射流。其基本原理是在導電噴嘴(第一電極)和導電基板(第二電極)之間施加高壓脈衝電源，利用在噴嘴和基板之間形成的強電場力將流體從噴嘴口拉出形成泰勒錐，由於噴嘴具有較高的電勢，噴嘴處的流體會受到電致切應力的作用，當局部電荷靜電力超過液體表面張力後，帶電流體從噴嘴處噴射，形成極細的射流(由於是從尖端發射出的射流，射流直徑遠小於噴嘴直徑，因此形成微液滴尺寸遠遠小於噴嘴尺寸，通常比噴嘴尺寸小1-2個數量級)，微液滴噴射沉積在列印床之上，並通過熱/光等予以固化，逐層疊加製造實現複雜三維結構的低沉本製造。電流體動力噴射列印的解析度不受噴嘴尺寸的限制，能在噴嘴不易堵塞的前提下，實現亞微米、納米尺度解析度微納結構的製造，而且可供列印的材料種類廣泛，以及能夠實現高粘度材料的列印，列印材料的種類有了很大的拓展。該技術已經被應用於柔性電子、生物醫療、組織工程、光電子、微納光學、複合材料、高清顯示等諸多領域。顯示了較好的工業化應用前景。

基於熔融微滴噴射的3d列印技術在諸多領域具有廣泛的應用前景，而且還具有工藝簡單、成本低、靈活性和適應性強等諸多優點。但是，已有的熔融微滴噴射成形技術，存在許多不足和局限性：(1)列印精度和解析度低，難以實現微尺度結構列印，尤其是無法實現宏/微/納多尺度和跨尺度製造；(2)可供列印的材料種類有限，難以實現高粘度熔融態材料列印；(3)傳統熔融沉積成形技術是將熔融的聚合物材料擠出堆積成形，擠出的融化高分子材料是依靠重力向下堆積，使融化的高分子材料與底板或前一層固化的聚合物材料粘結固化成形，但由於重力的作用力較小，擠出的熔融聚合物材料粘結不牢固，製造零件的性能較差。電流體動力噴射3d列印的列印材料以溶液材料為主，用熔體材料列印的較少，而且列印的精度和質量不高。尤其成形件(列印件)高度受限制，主要是由於導電噴嘴與導電襯底之間距離的限制，電噴印列印的高度一般限定在3毫米以下，難以實現大尺寸零件和宏/微跨尺度結構的製造。

因此，迫切需要開發新型高精度熔融微滴噴射3d列印，實現熱塑性材料、聚合物基複合材料等多種熱熔融材料的高精度、高效列印。尤其是實現該類材料宏/微/納多尺度和跨尺度製造，解決生物支架、聚合物基碳纖維材料、納米複合材料、3d結構電子等3d列印的難題。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置，實現熱相變、熱塑性聚合物材料、複合材料等材料的複雜三維結構高精、高效、宏/微跨尺度化製造；

本發明具體的實現方案為：(1)導電噴嘴與高壓脈衝電源正極連接；(2)採用導熱絕緣的陶瓷外套將針管以及噴嘴處整體包裹，再使用環形加熱器對陶瓷外套進行加熱，儲料筒以及噴嘴均勻受熱，防止噴嘴堵塞，提高列印的穩定性和可靠性；(3)設置宏尺度和微尺度兩種列印模式，同時兼顧列印精度和列印效率。微尺度列印模式下，採用較小的背壓和較大的電場力，通過噴嘴的液體流量較小，強電場力使泰勒錐內部形成回流現象並為射流噴射提供足夠的動能，微量液體突破泰勒錐形成射流，液體以極細的射流噴射沉積在接收襯底或已完成實體上；宏尺度列印模式下，採用較大的背壓和較小的電場力，通過噴嘴的液體流量較大，較小的電場力無法維持大量液體在泰勒錐內部形成需要的回流，導致較大的液滴流被電場力拉出，被列印材料以較粗的線寬和較大厚度在接收襯底或已完成實體上沉積；(4)採用武藏噴嘴，實現高粘度材料噴射列印。

具體的，本發明採用下述技術方案：

一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置，包括二維工作檯，二維工作檯上設置列印床，絕緣導熱襯底吸附設置於列印床上，所述絕緣導熱襯底上方對應設置噴射單元，所述噴射單元與z向工作檯連接；

所述噴射單元包括列印噴頭，所述列印噴頭包括相互連接的噴嘴和儲料筒，所述噴嘴與高壓脈衝電源正極連接，所述儲料筒與背壓控制單元連接；所述列印噴頭外部套設加熱器，所述加熱器與溫度控制單元連接。

進一步的，所述儲料筒和加熱器之間設置導熱保溫元件，導熱保溫元件包覆在列印噴頭外部。導熱保溫元件將加熱器的溫度傳導給儲料筒，且能起到保溫作用，可以維持儲料筒以穩定溫度。

優選的，所述導熱保溫元件為陶瓷外套。

進一步的，所述加熱器呈圓環形，加熱器包覆在導熱保溫元件外部。加熱器工作，加熱的熱量通過導熱保溫元件傳導給儲料筒。

進一步的，所述加熱器為陶瓷加熱圈。外殼為不鏽鋼皮，中層有耐高溫保溫棉，高頻陶瓷內有優質鎳鉻電阻絲，列印過程中，溫度可保持120℃恆定。

進一步的，所述噴嘴為導電噴嘴，優選為武藏噴嘴。

所述高壓脈衝電源的輸出脈衝電壓範圍為0-8kv，輸出脈衝頻率範圍為0hz-3000hz。

進一步的，所述背壓控制單元包括精密調壓閥，精密調壓閥一端與儲料筒連接，精密調壓閥另一端與壓縮空氣源連通。

進一步的，所述精密調壓閥的工作壓力範圍是：0.1-8bar；為噴頭提供穩定且精確可調的氣動壓力來驅動流體。

進一步的，所述列印床內設置電加熱裝置，所述電加熱裝置為電加熱棒或電加熱片，電加熱裝置可以通過對列印噴射出的材料進行保溫加熱，實現列印材料之間無縫粘合，提高結構強度。

上述電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置的工作原理為：根據列印材料的熔點，設定溫度，開啟環形加熱器加熱，直至儲料筒內列印材料處於完全熔融狀態，根據熱電偶檢測的結果，一旦到達設定的溫度，調節環形加熱器，保持儲料筒內列印材料的熔融狀態；壓縮空氣經精密調壓閥調壓後推動儲料筒中的液體達到噴嘴位置，開啟高壓脈衝電源，在電場力和背壓控制單元的背壓的共同作用下，處於熔融狀態的列印材料形成穩定的射流，將列印材料噴射沉積到襯底(或者已成形表面)上，結合x-y水平工作檯按設定路徑運動，噴射的液體固化沉積在接收襯底上，形成零件的截面輪廓；零件的一層截面成形完成後，列印噴頭上升一個截面的高度，以已完成實體表面為目標列印位置再進行下一層截面的沉積，如此循環，最終形成三維實體。

一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置的工作方法，包括以下步驟：

步驟1：列印初始化，將二維工作檯和z向工作檯移動至列印工位，使列印噴頭距絕緣導熱襯底設定距離，啟動加熱器將列印噴頭內列印材料進行加熱至設定溫度；

步驟2：開始列印工作，列印噴頭和絕緣導熱襯底之間形成電場，在背壓控制單元作用下，列印材料流至噴嘴處形成泰勒錐，進而噴射至絕緣導熱襯底表面，二維工作檯按設定路徑運動，完成一層的列印過程；

步驟3：重複步驟2，直至完成所有層的列印過程，列印出成形零件；

步驟4：列印完成，將二維工作檯和z向工作檯移動至原始工位，取下絕緣導熱襯底和成形零件。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)導電噴嘴與高壓脈衝電源正極連接，列印襯底材料不受限制，能夠避免傳統電噴印中導電噴嘴與導電基板之間短路和擊穿放電現象，提高列印的穩定性和可靠性。

(2)使用武藏噴嘴，噴嘴不易損壞。相對於普通針頭來說，武藏噴嘴前端管道內部形狀更好的減少了阻力，從而確保了高流動性。和一般精密針頭相比較，針頭前段內部較短，不易堵膠，提高使用壽命。內徑拋光處理，提高針頭內部表面光滑度，實現微量穩定出膠；前端拋光處理，有效防止拉絲和爬膠。適合從高粘度到低粘度的材料噴印。

(3)使用陶瓷外套以及環形加熱器對整體噴頭結構加熱，加熱效果好，具有一定的保溫效果。陶瓷材料導熱性能優良，導熱均勻，而且相比於金屬材料，散熱較慢，具有一定的保溫效果。

(4)採用環形加熱器，外層為不鏽鋼皮，內層為陶瓷加熱圈，加熱效果好，並且安全可靠。

(5)列印精度高。微尺度列印模式下利用強電場力形成的極細錐射流進行列印，可以實現微尺度甚至亞微尺度結構的高解析度製作。

(6)列印效率高。設置微尺度和宏尺度兩種列印模式，對於精度要求不高的結構採用宏尺度列印模式，對於精度要求高的結構採用微尺度列印模式，兼顧列印精度和列印效率。

(7)宏微跨尺度結構一體化列印。既可用來製作宏尺度工件，也可用來製作微觀結構，突破傳統3d列印技術列印精度跨度小的限制，實現同一列印模型上宏微跨尺度結構一體化列印。

(8)噴頭模塊可移植性強。噴頭模塊作為一獨立模塊可以移植到任何三軸工作檯上進行列印。

(9)能夠實現極高粘度材料的列印，列印材料不受限。

(10)操作簡單，成本低。

(11)結合配置的多個噴頭，能夠實現多材料多尺度一體化列印。

本發明可用於航空航天、微納機電系統、生物醫療、組織器官、新材料(點陣材料、超材料、功能梯度材料、複合材料等)、3d功能結構電子、可穿戴設備、新能源(燃料電池、太陽能等)、高清顯示、微流控器件、微納光學器件、微納傳感器、印刷電子、可延展電子、軟體機器人等諸多領域和行業。尤其適合組織支架、3d功能結構電子、複合材料等領域。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置的結構示意圖。

圖2是本發明列印噴頭剖面示意圖。

圖中，1x-y工作檯，2列印床，3絕緣導熱襯底，4高壓脈衝電源，5溫度控制單元，6噴頭固定架，7列印噴頭，701武藏噴嘴，702儲料筒，703陶瓷外套，704環形加熱器，8z向工作檯，9背壓控制單元。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術存在熔融微滴噴射3d列印精度低，列印材料受限，難以實現微尺度結構列印，尤其是無法實現宏/微/納多尺度和跨尺度製造的問題，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置及其工作方法。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1-2所示，提供了一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置，它包括x-y工作檯1(即二維工作檯)，列印床2，絕緣導熱襯底3，高壓脈衝電源4，溫度控制系統5，噴頭固定架6，列印噴頭7，z向工作檯8，背壓控制單元9。其中，列印床2置於x-y工作檯1之上；絕緣導熱襯底3置於列印床2之上，並通過真空吸附或者電磁吸附等方式固定在列印床2上。列印噴頭7溫度由溫度控制單元5控制，從而可以維持穩定溫度，列印噴頭7的武藏噴嘴與高壓脈衝電源4的正極相連，列印噴頭7通過噴頭固定架6安裝在z向工作檯8上。背壓控制單元9與列印噴頭7上部的進氣口相連接。

x-y工作檯1是二維位移臺，可以採用步進電機、伺服電機、直線電機等驅動方式。本實施例中x-y工作檯1採用精密直線電動滑臺，帶動列印平臺2在x-y方向上運動。工作行程：200mm，重複定位精度≤2μm。

列印床2設置有電加熱裝置，電加熱裝置為電加熱棒或電加熱片，加熱溫度範圍為0-150℃，列印平臺尺寸為130mm×130mm。電加熱裝置可以通過對列印噴射出的材料進行保溫加熱，實現列印材料之間無縫粘合，提高結構強度。列印床2材料可以是金屬導電材料，也可以是非金屬絕緣材料。

絕緣導熱襯底具有絕緣和良好的導熱性能。本實施例中絕緣導熱襯底3採用玻璃材質，平臺面積為130x130毫米。

高壓脈衝電源4輸出脈衝電壓範圍為0-8kv，輸出脈衝頻率範圍為0-3000hz。

溫度控制系統為溫度控制器，可使加熱模塊加熱到設定溫度並使儲料筒保持設定溫度。本實施例中溫度控制單元5採用rex-c100高精度溫控器，控溫範圍為0-1200℃，可根據設定溫度保持溫度恆定。

噴頭固定架6為金屬材質，可以將列印噴頭7固定於z向工作檯8上。

z向工作檯8是一維位移臺，可以採用步進電機、伺服電機、直線電機等驅動方式。本實施例中z向工作檯8採用精密直線電動滑臺，列印噴頭7通過噴頭安裝支架6，帶動噴頭模塊7在z方向上運動。工作行程100mm，重複定位精度≤1μm。

背壓控制單元9可以為精密調壓閥，精密調壓閥一端與空壓機相連，另一端與列印噴頭7的儲料筒相連，調壓範圍為0.1-8bar，為噴頭提供穩定且精確可調的氣動壓力來驅動流體。

圖2為本發明列印噴頭剖面示意圖，它包括武藏噴嘴701，儲料筒702，陶瓷外套703(即為導熱保溫元件)，環形加熱器704。儲料筒702與武藏噴嘴701相連接，將儲料筒702與武藏噴嘴701用陶瓷外套703包裹，陶瓷外套703置於環形加熱器704中，形成一個升溫快速、溫度穩定的、受熱均勻的熱熔融噴頭。儲料筒702與背壓控制單元9連接。

武藏噴嘴701採用不鏽鋼材質，噴嘴內徑為0.2mm，安裝在儲料筒704上，並通過導線將針尖部位與高壓脈衝電源4正極相連接。

儲料筒702為10ml加厚玻璃針筒，總長度為127.3mm，直徑19mm，筒體長度109.5mm。

陶瓷外套703為耐高溫絕緣陶瓷，外部為圓柱形，內部與武藏噴頭701、儲料筒702緊密連接。

環形加熱器704為圓環形加熱器，能將噴頭結構整個包裹。本實施例中環形加熱器704為陶瓷加熱圈，外殼為不鏽鋼皮，中層有耐高溫保溫棉，高頻陶瓷內有優質鎳鉻電阻絲，最高加熱溫度為500℃，列印過程中，溫度可保持120℃恆定。

當然，本領域技術人員完全能夠在本發明的啟示下，根據本領域技術人員的公知常識，尋找到替換材質，這種替換為簡單替換，無需付出任何創造性勞動即能想到。

本申請的另一種典型的實施方式中，提供了一種電場驅動熔融噴射沉積3d列印裝置的工作方法，具體工藝步驟如下：

步驟1：列印初始化，x-y工作檯、z向工作檯從原位移動到列印工位，固定在z向工作檯上列印噴頭噴嘴的最下端移動到距離列印平臺的預先設置的高度；據列印材料的熔點，設定溫度，開啟環形加熱器加熱，直至儲料筒內列印材料處於完全熔融狀態，根據熱電偶檢測的結果，一旦到達設定的溫度，調節環形加熱器，保持儲料筒內列印材料的熔融狀態；根據所列印的材料、精度、零件尺寸等，調節背壓控制單元，使儲料桶內達到所需氣壓，高壓脈衝電源開啟；

步驟2：開始列印，在背壓(壓縮空氣或者惰性氣體經精密調壓閥調壓)的作用下，推動儲料筒中的液體達到噴嘴位置，在導電噴嘴上施加脈衝高壓，導電噴嘴與接收襯底之間形成電場，誘導電荷在噴嘴處聚集並相互排斥，強電場力使噴嘴處液體被拉出形成泰勒錐，當電場力與氣體背壓之和大於表面張力和黏度力之和，液滴自泰勒錐尖端噴射而出。結合x-y水平工作檯按設定路徑運動，噴射的液體固化沉積在接收襯底上，形成零件的截面輪廓。零件的一層截面成形完成後，列印噴頭上升一個截面的高度。

步驟3：列印噴頭上升一個層厚高度，以已完成實體表面為目標列印位置，繼續再進行下一層截面的沉積列印，如此循環，直至完成所有層的列印，最終形成三維實體/結構。

步驟4：關閉高壓脈衝電源、環形加熱器、背壓控制單元等，x-y工作檯、z向工作檯從到原始工位，從列印平臺上取下襯底和成形零件。

為了使得本領域技術人員能夠更加清楚地了解本申請的技術方案，以下將結合具體的實施例詳細說明本申請的技術方案。

選用聚己內酯polycaprolactone(pcl)為列印材料，具體的列印工藝過程如下：

步驟1：列印初始化，x-y工作檯1、z向工作檯8從原位移動到列印工位，固定在z向工作檯8上列印噴頭7噴嘴的最下端移動到距離列印平臺的預先設置的高度；據pcl的熔點，設定溫度為120℃，開啟環形加熱器704加熱，直至儲料筒702內pcl處於完全熔融狀態，根據溫度控制系統5熱電偶檢測的結果，調節環形加熱器704，保持儲料筒702內pcl的熔融狀態；根據所列印精度、零件尺寸等，背壓控制單元設置好使用的壓力(背壓)，高壓脈衝電源4開啟；

步驟2：開始列印，在背壓(壓縮空氣或者惰性氣體經精密調壓閥調壓9)的作用下，推動儲料筒702中的液體達到武藏噴嘴701位置，在武藏噴嘴701上施加脈衝高壓，武藏噴嘴701與絕緣導熱襯底3之間形成電場，誘導電荷在噴嘴處聚集並相互排斥，強電場力使噴嘴處液體被拉出拉長形成泰勒錐，當電場力與氣體背壓之和大於表面張力和黏度力之和，液滴自泰勒錐尖端噴射而出。結合x-y工作檯1按設定路徑運動，噴射的液體固化沉積在絕緣導熱襯底3上，形成零件的截面輪廓。零件的一層截面成形完成後，列印噴頭7上升一個截面的高度。

步驟3：列印噴頭7上升一個層厚高度，以已完成實體表面為目標列印位置，繼續再進行下一層截面的沉積列印，如此循環，直至完成所有層的列印，最終形成三維實體/結構。

步驟4：關閉高壓脈衝電源4、環形加熱器704、背壓控制單元9等，x-y工作檯1、z向工作檯8從到原始工位，從列印床2上取下襯底和成形零件。

由於不同材料的粘度、導電性、消耗量等均不相同，需預先設置好每種材料的列印參數，在切換列印噴頭的同時，調節高壓脈衝電源、背壓控制單元等裝置參數使其適合該列印材料。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。