CN112895426B - 一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，属于3D打印和微纳制造技术领域，结合了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印机和全新的打印工作模式，实现了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印宏/微/纳跨尺度制造，解决了多材料跨尺度复杂三维结构低成本制造；提出的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法还具有工艺简单、操作灵活、易于实施、生产成本低和普适性好的突出优势，尤其是还具有喷嘴、基材以及打印材料任意组合的稳定打印的独特优势，极大拓展该技术的应用领域和范围。
Description
技术领域
本公开涉及3D打印和微纳制造技术领域，特别涉及一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
微纳尺度3D打印是一种基于增材制造原理制备微纳结构或者包含微纳特征结构功能性产品的新型加工技术。与现有微纳制造技术相比，微纳3D打印具有生产成本低、工艺简单、可供打印材料和适合基板种类广泛、无需掩模或模具、直接成形、工艺柔性和适应性好的优点，尤其是它在复杂三维微纳结构、大高宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构以及宏微跨尺度结构制造、非平整衬底/柔性衬底/曲面和3D表面的微纳图形化方面具有非常突出的优势和广泛的工业化应用前景。微纳3D打印已经被应用于微电子、光电子、柔性电子、高清柔性显示、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、航空航天、可穿戴设备等诸多领域。微纳尺度3D打印已经被美国麻省理工学院的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术。
经过近十年的发展，目前已经提出的微纳尺度3D打印工艺有十多种，主要包括：微立体光刻、双光子聚合3D激光直写、电流体动力喷射打印(电喷印)、气溶胶喷射打印、微激光烧结、电化学沉积、微三维打印(粘结剂喷射)、复合微纳3D打印等。与现有的其它微纳3D打印技术相比，近年出现并快速发展的电流体动力喷射打印(Electrohydrodynamic JetPrinting，电喷印)技术在分辨率、打印材料、设备成本等方面具有突出的优势。然而，由于受到电喷印技术自身工作原理的限制(导电喷嘴和导电衬底组成的电极对，随着打印逐层累加，打印高度不断发生变化，导致电场力不断发生变化，打印过程稳定性差，超过一定高度，无法实现打印等)，其在打印材料、喷嘴、接收衬底、成形件高度、打印稳定性等方面还存在诸多的不足和局限性，难以实现宏/微/纳跨尺度结构一体化打印(喷嘴与基材的高度一般被限定在3毫米以内)，尤其是无法实现导电喷嘴使用导电材料在导电基材上的稳定打印(导电喷嘴、导电材料、导电衬底在连续锥射流喷射条件存在放电、击穿等现象)，限制了其在实际工程的许多应用。
针对以上不足和局限性，发明人已经公开了2项发明专利：1)一种集成喷头电场驱动喷射微纳3D打印装置及其工作方法(申请号201810726142.4)；2)一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法(申请号201711408812.X)，其克服了传统电喷印的一些不足和局限性。
但是，随着发明人更深入研究发现，目前还有部分难题没有被克服，主要问题诸如：
(1)现有技术还无法实现导电材料在导电基材上的高分辨率稳定打印。传统电喷印与电场驱动喷射微纳3D打印在打印高粘度导电材料时，导电喷嘴、导电材料、导电衬底在连续锥射流喷射条件存在放电甚至短路、击穿等现象，无法实现高分辨率打印的稳定性和连续性；
(2)现有的电喷印与电场驱动喷射微纳3D打印都是在喷嘴直接连接高压电源，高电压将导致生物材料或者生物细胞失去生物活性，因此，现有技术无法实现生物材料或者生物细胞高分辨率打印，在生物制造和细胞3D打印等方面受到很大的限制；
(3)对于亚微尺度和纳尺度3D打印，一般都采用玻璃喷嘴或者硅基喷嘴，这些材料都是不导电，使用时必须对这些非导电的喷嘴进行导电化处理，诸如喷金等，而喷嘴喷金处理后实际使用寿命较短，导致生产成本高和生产周期长；此外，当喷嘴尺寸小于100纳米时，一方面很难对喷嘴进行导电化处理(喷嘴尺寸太小，喷嘴尺寸发生变化，易出现堵塞)，另一方面导电化处理的喷头由于导电层非常薄，使用寿命很短。
(4)现有技术由于导电喷嘴与高压电源直接连接，打印过程中喷射射流/微滴材料携带电荷，存在严重的电场串扰、库仑排斥力等问题(尤其是使用绝缘基材，已打印材料携带的电荷难以耗散，存在电荷积聚，与当前喷射射流/微滴材料存在库仑排斥力，严重影响打印的精度和质量)，本发明喷嘴与高压电源没有任何连接，依靠极化电荷实现稳定锥射流喷射，喷射射流/微滴尽管由于电场极化存在电荷的重新分布，但是其整体是电中性，避免了现有电流体动力喷射打印、电场驱动喷射微纳3D打印由于打印原理的限制而无法避免的电场串扰、库仑排斥力等问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，结合了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印机和全新的打印工作模式，不仅能够实现导电材料在导电基材上的高分辨率稳定打印，而且还能实现生物材料或者生物细胞高分辨率打印，尤其解决了亚微尺度和纳尺度3D打印喷嘴制造成本高、周期长和使用寿命短的问题，以及100纳米以下导电喷嘴难以制造的难题；没有喷射射流/微滴材料携带电荷导致电场串扰、库仑排斥力严重影响打印件精度和质量问题；还具有结构简单、生产成本低和普适性好(适合任意材料的喷嘴，任意材料的打印材料，任意材料基材)的突出优势，尤其是还具有喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)以及打印材料(导电和非导电)任意组合的稳定打印的独特优势，极大的拓展了该技术的应用领域和范围。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开提出了三种全新的打印工作模式及其打印组合：脉冲锥射流模式、微挤出模式和连续锥射流模式，具体如下：
(1)脉冲锥射流模式，单平板电极采用脉冲高电压，在脉冲高电压作用下，打印喷嘴末端的打印材料经历：拉伸变形-锥射流喷射-回缩-破裂等过程，最终形成单个微液(熔)滴；
利用极细的锥射流能够产生远远小于喷嘴内径尺寸的微滴，结合脉冲电压不同参数设置(峰值、频率、占空比、偏置等)和打印喷嘴运动的精准控制实现微滴精确按需喷射沉积。
(2)微挤出模式，单平板电极采用直流高电压，打印喷嘴与平板电极的高度较小(低于脉冲锥射流模式和连续锥射流模式)，施加的电压低于形成锥射流的阈值电压的条件下，在背压和电场力的共同作用下驱动液(熔)体从打印喷嘴中被挤出(或者挤出和拉出)；
结合不同的工艺参数(背压、电压、喷嘴直径)和打印平台(或者打印喷嘴)的运动速度，精准调控连续沉积的微细纤维打印材料，实现连续沉积成型。
(3)连续锥射流模式，单平板电极采用直流或者交流高电压，持续的电场力驱动液(熔)体在喷嘴尖端处形成稳定的泰勒锥，锥射流不间断喷射，打印材料以连续微细射流喷射沉积到打印基材或已成形结构上。
微挤出模式具有最高的打印效率，但是打印精度最低；连续锥射流模式下打印具有较高的打印效率和高的打印精度；脉冲锥射流模式具有最高的打印精度，但是打印效率最低。
结合提出的三种不同的打印工作模式，单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印具有能够同时兼顾打印精度和打印效率的独特优势。针对打印材料性能(粘度、表面张力、流变性等)、打印特征结构的不同，使用不同的工作模式：
如果材料的粘度较低和表面张力较大、打印特征结构非常微细，使用脉冲锥射流模式打印，保证被打印微纳特征结构的精度/分辨率(精度优先)；
如果材料的粘度较高、或者打印微/亚微尺度结构时，优先考虑采用连续锥射流模式打印，在满足精度前提下实现高效打印(兼顾精度，效率优先)；
如果材料的粘度较大，打印特征结的宏结构/介观结构时，选用微挤出模式，在保证被打印特征结构的精度条件小，效率优先。
基于上述打印工作模式，本公开提出了一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1：打印初始化。
将打印基材固定在平板电极上；XYZ三轴精密运动平台移动到打印初始位置；UV固化模块使能；打印平台加热到设定的温度；施加在平板电极上的高电压使能。
步骤2：打印前处理。
步骤2.1：开启观测定位模块；根据打印零件的材料性能和打印零件的几何特征结构(宏尺度几何形状，微尺度和纳尺度特征结构)，确定相应的打印工作模式及其组合；
步骤2.1.1：如果所打印件材料的粘度范围20mPa·s～1000mPa·s，所打印件几何特征结构包含宏观、介观、微观、纳观特征结构：1)采用脉冲锥射流模式打印微观、纳观特征结构；2)采用微挤出模式打印宏观、介观特征结构。
步骤2.1.2：如果所打印件材料的粘度范围1000mPa·s～60000mPa·s，所打印件几何特征结构包含宏观、介观、微观、亚微特征结构：1)采用连续锥射流模式打印微观、亚微特征结构；2)采用微挤出模式打印宏观、介观特征结构。
通过打印程序自动变换高压电源输出电压类型(直流、交流、脉冲)和大小以及初始设置的打印高度等来进行打印模式间的切换。
步骤2.2：根据打印件材料性能、包含特征结构以及所对应的打印工作模式，设置相应的打印工艺参数(电压、背压、打印速度、打印高度、喷嘴尺寸、电压频率和占空比、打印平台加热温度、打印喷嘴温度等)，这些打印工艺参数是根据经验数据、理论公式以及实验优化得到的。
步骤3：3D打印。
步骤3.1：根据所打印材料是否需要光固化选择光固化模块开启与否；利用激光测距仪，并通过XYZ三轴精密运动平台的Z轴的移动，将打印喷嘴与打印基材的距离调整到设定的高度；利用精密背压控制模块和平板电极，通过调整背压和电压值，并借助观测定位模块的观测相机，将打印喷嘴末端的打印材料调整到需要的形貌；
步骤3.1.1：打印喷嘴内打印材料在背压和自身的重力作用下被挤出到达打印喷嘴末端形成弯液面，在打印喷嘴处被挤出的打印材料与平板电极间所形成自激发稳定静电场作用下，弯液面处的打印材料(微液滴或者微熔滴)被极化，外表面聚集负电荷；
步骤3.1.2：通过调节高压电源的电压的数值，使平板电极的电场发生变化，进而使打印喷嘴末端极化的打印材料的电场力发生变化，在电场力、黏滞力、表面张力、背压等多种力的共同作用下，弯液面被逐渐拉伸变形，形成泰勒锥；
步骤3.1.3：通过调节工艺参数(电压、背压、打印高度等)，将泰勒锥的形貌和尺寸调整成设定的形貌和尺寸(优化后的)。
步骤3.2：按照程序设定好的打印路径，通过XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头(或者打印平台)喷射沉积打印材料，完成一层特征结构的打印；该层特征结构打印完成后，通过XYZ三轴精密运动平台的Z轴带动打印喷头向上移动所设定的打印层厚高度，继续执行下一层特征结构的打印；重复以上操作，直至完成所有层的打印；
步骤3.3：打印完成最后一层后，关闭供料模块，关闭精密背压控制模块和高压电源；XYZ三轴精密运动平台的Z轴带动打印喷头向上移动打印初始位置，XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头(或者打印平台)移动到打印初始位置。
步骤4：打印后处理。
关闭打印平台的加热，关闭UV固化模块，关闭观测定位模块，关闭激光测距仪，从打印平台取下打印基材和打印件，根据实际需要，进行加热、UV固化等后处理等工艺步骤，对于打印件进行后处理，进一步提高其性能。
打印材料为光敏树脂等UV固化材料时，在步骤3打印时，需要开启UV固化模块；打印完成后，步骤4中关闭UV固化模块。
当打印材料是热塑性材料时，打印喷嘴具有加热功能，打印工艺参数还包括打印喷头的加热温度。
所述打印喷头(或者打印喷嘴)还包括2个以上打印喷头(或者打印喷嘴)，对于2个以上的打印喷头，通过结合不同类型和尺寸的喷嘴，实现多材料宏/微/纳跨尺度3D打印，对于单喷头2个以上的喷嘴，可以实现同一种材料的宏/微/纳跨尺度3D打印。
作为可能的一些实现方式，若需打印多层微纳结构(尤其是亚微尺度和纳尺度复杂三维结构)，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，结合观测定位模块的垂直观测相机的精密定位功能，以打印的实体表面(已成形结构)为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维微纳实体结构。
作为可能的一些实现方式，根据打印零件的材料性能和打印零件的几何特征结构(宏尺度几何形状，微尺度和纳尺度特征结构)，打印工作模式及其组合包括但不限定所述步骤3的类型和组合，根据实际需求和具体条件，可以包括任意不同组合或者单一的打印工作模式。
作为可能的一些实现方式，步骤4中，打印后处理至少包括打印件的真空加热、UV后固化和表面处理。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴为导电和非导电的任意一种材料或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴为不锈钢喷嘴、武藏喷嘴、玻璃喷嘴或硅基喷嘴。
作为可能的一些实现方式，打印喷嘴的内径尺寸范围为0.1μm～300μm。
作为可能的一些实现方式，打印基材为导体、半导体和绝缘体中的任意一种或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，打印基材为PET、PEN、PDMS、玻璃、硅片或铜版。
作为可能的一些实现方式，平板电极为铜电极、铝电极、钢电极和复合导电材料中的任意一种或几种材料的组合。
作为可能的一些实现方式，平板电极的厚度范围为0.5mm～30mm。
作为可能的一些实现方式，平板电极的平面度大于或等于公差等级5级精度。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台为龙门式结构，采用直线电机驱动。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台采用三轴气浮运动台。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台采用三轴龙门线轨运动台。
作为可能的一些实现方式，XYZ三轴精密运动平台的X和Y轴的有效行程范围为0mm～600mm，重复定位精度大于或等于±0.4μm，定位精度大于或等于±0.6μm，最大速度为1000mm/s，最大加速度大于或等于1g，Z轴的有效行程范围为0mm～300mm，定位精度大于或等于±0.1μm。
作为可能的一些实现方式，高压电源能够输出直流高压、交流高压或者脉冲高压，能够设置偏压，设置的偏压范围为0KV～2KV且连续可调；
直流高压范围为0KV～5KV，输出脉冲直流电压范围为0KV～±4KV且连续可调，输出脉冲频率范围为0Hz～3000Hz且连续可调，交流高压范围为0KV～±4KV。
作为可能的一些实现方式，打印过程中所述供料模块的供料速度、打印速度必须确保精准的匹配，确保持续稳定的供料。
作为可能的一些实现方式，打印平台的加热温度范围为20℃～200℃。
作为可能的一些实现方式，打印喷头的加热温度范围20℃～400℃。
作为可能的一些实现方式，精密背压控制模块调压精度大于或等于1kPa。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，结合了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印机和全新的打印工作模式(脉冲锥射流模式、微挤出模式和连续锥射流模式)，实现了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印宏/微/纳跨尺度制造；该打印工作方法，综合考虑打印零件的材料性能和打印零件的几何特征结构(宏尺度几何形状，微尺度和纳尺度特征结构)，同时兼顾打印效率和打印精度，真正实现了满足工业级应用需求的宏/微/纳跨尺度3D打印，具有生产成本低，工艺简单，而且适合打印材料范围广泛，打印材料的粘度范围极宽(20mPa.s～60000mPa.s)。
(2)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，结合了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印机、全新的打印工作模式(脉冲锥射流模式；微挤出模式；连续锥射流模式)、多喷头(或者多喷嘴)，首次实现了多材料宏/微/纳跨尺3D打印，解决了多材料宏/微/纳跨尺度复杂三维结构低成本制造的难题，拓展了3D打印的应用领域和功能。
(3)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，结合了单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印装置、全新的打印工作模式(脉冲锥射流模式；微挤出模式；连续锥射流模式)以及单喷头多单喷嘴阵列，实现了高效微纳3D打印，解决了制约当前微纳3D打印生产效率低的难题，铺平了低成本高效微纳3D打印工业广泛工业化应用的道路。
(4)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，能够实现宏/微/纳跨尺度3D打印的打印材料种类几乎没有限制(聚合物、生物材料、导电材料、纳米材料、复合材料等)、材料的粘度范围极宽(20-60000mPa.s)，解决了当前能实现宏/微3D打印的工艺打印材料单一和粘度范围非常窄的难题。
(5)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，是一种基于自激发静电场的微喷射成形新技术，只需将平板电极与高压电源正极(负极)连接，无需接地的对电极。因此，该方法适用于任意材料的喷嘴、任意材料和类型的基材、任意打印材料，能实现宏/微/纳结构跨尺度制造，工艺普适性好。应用领域几乎没有限制，非常广泛。
(6)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，突破了喷嘴、基材和打印材料的限制和约束，实现了喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)以及打印材料(导电和非导电)任意组合的高分率稳定打印。
(7)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，实现了导电材料在导电基材上的高分辨率稳定打印，喷嘴不直接施加高电压，而是通过静电感应，克服了传统电喷印在打印导电材料时，由于出现短路、放电击穿等现象，导致无法实现稳定连续打印的问题。
(8)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，实现了生物材料或者生物细胞宏/微跨尺度打印，拓展了打印材料范围，尤其对于不允许直接施加较高的电压的生物材料和生物细胞，能更好保证其生物活性。
(9)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印装置，没有电场串扰、库仑排斥力等问题，提高打印精度和稳定性。由于本公开喷嘴与高压电源没有任何连接，依靠极化电荷实现稳定锥射流喷射，喷射射流/微滴尽管由于电场极化存在电荷的重新分布，但是其整体是电中性，避免了现有电流体动力喷射打印、电场驱动喷射微纳3D打印由于打印原理的限制而无法避免的电场串扰、库仑排斥力等问题。
(10)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，具有工艺简单、操作灵活，成本低，打印效率高、稳定性和普适性好的突出优势，结合阵列式喷头，能够实现高效微纳3D打印。
(11)本公开提供的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工作方法，可用于航空航天、微纳机电***、生物医疗、组织器官、新材料(点阵材料、超材料、功能梯度材料、复合材料等)、3D功能结构电子、可穿戴设备、新能源(燃料电池、太阳能等)、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、印刷电子、可拉伸电子、软体机器人等诸多领域和行业。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的单平板电极电场驱动微纳3D打印基本原理和打印模式示意图。
图2为本公开实施例提供的单平板电极电场驱动微纳3D打印工作方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1展示了单平板电极电场驱动微纳3D打印机的基本原理：
平板电极与高压脉冲电源正极(或负极)连接，无需接地的对电极，尤其是打印喷嘴和基材都不再作为电极(对)，突破了传统电喷印和现有电场驱动喷射沉积微纳3D打印对于喷嘴和基材导电性的约束和限制。
即使采用绝缘的喷嘴和绝缘的基材也能实现稳定的打印，其利用静电感应作用自激发(诱导)喷射所需电场，高压脉冲电源的正极与平板电极相连，使其具有高电势，根据接触起电原理，此时平板电极上会均匀排布正电荷，其形成的电场方向是从平板电极指向无穷远处。
由于静电感应的作用，处于电场中的物体被极化，打印基材在平板电极产生的电场作用下表面和内部电荷发生迁移，电荷出现重新分布形成电矩，正电荷分布在上表面，负电荷分布在的下表面，喷嘴处被挤出的呈弯液面形状打印材料在电场作用下也被极化，弯液面的外表面分布负电荷。
在电场力作用下喷嘴处的液(熔)体被拉伸形成泰勒锥，随着施加电压增大出现稳定的锥射流喷射，打印材料喷射沉积到基材上，当对平板电极处施加负极高压时，喷嘴液(熔)滴内部及表面分布着与施加正极高压相反的电荷，所形成电场仍将驱动打印材料喷射沉积到基材或者已成形结构上。
实施例1：
如图2所示，本公开实施例1提供了一种单平板电极电场驱动单喷头喷射沉积微纳3D打印机制造透明电极的工作方法。
其中：打印材料选择为纳米导电银浆(粘度35000mPa·s，银含量80％，表面张力32dynes/cm)；打印喷嘴选用30G不锈钢导电喷嘴，内径为0.16mm；打印基材选用100mm×100mm×2mm普通透明玻璃；平板电极选择150mm×150mm×3mm铜板。
具体打印过程及打印参数如下：
步骤1：打印初始化。
将打印基材固定在平板电极上；各运动模块使能，XYZ三轴精密运动平台移动到打印初始位置。
步骤2：打印前处理。
首先，制造透明电极的材料粘度大于1000mPa·s且打印微观结构，所以，模式选择为连续锥射流模式；
其次，开启观测相机，根据选定的模式，设置高压电源为放大器模式；信号发生器设置为频率为800Hz、峰值为7V、偏置电压为0V、占空比50％；精密背压控制阀设置为0.15Mpa；打印高度设置为0.15mm；打印时的合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
步骤3：3D打印。
首先，纳米导电银浆打印时无需进行光固化，故不开启光固化模块；通过Z轴精密位移台带动打印喷嘴移动到距打印基材0.15mm处；开启高压电源、信号发生器、精密背压控制阀，在背压等作用下打印喷嘴内的材料从喷嘴口喷出，形成半月形弯液面，弯液面处于平板电极与打印喷嘴间形成的电场中，强电场力使喷嘴口处材料弯液面形成泰勒锥，随着电场力逐渐增大，泰勒锥尖材料喷射而出形成极细射流，沉积在打印基材上；
然后，按照设定好的打印程序，完成特征结构的打印；
最后，打印程序运行完毕后，关闭供料模块，关闭精密背压控制阀、高压电源和信号发生器；XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头移动到打印初始位置。
步骤4：打印后处理。
关闭观测定位模块，从平板电极上取下打印基材进行烧结处理(130℃烧结40min)。
实施例2：
本公开实施例2利用单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术提供一种典型的宏微跨尺度制造柔性混合电路的工作方法。
其中：打印材料依次选择为纳米导电银浆(粘度为35000mPa·s)、PDMS(粘度为3500mPa·s)；打印喷嘴选用玻璃绝缘喷嘴(内径为50μm)、27G不锈钢导电喷嘴(内径为200μm)；平板电极选择250mm×250mm×3mm铜板。
具体打印过程及打印参数如下：
步骤1：打印初始化。
将打印基材固定在平板电极上；各运动模块使能，XYZ三轴精密运动平台移动到打印初始位置，打印平台开启加热，温度设置为50℃。
步骤2：打印前处理。
首先，制造柔性混合电路的纳米导电银浆材料粘度大于1000mPa·s且打印微观结构，所以，模式选择为连续锥射流模式；用于电路基底和封装层PDMS粘度度大于1000mPa·s且打印宏观结构，所以，模式选择为微挤出模式。
其次，开启观测相机，微挤出模式进行电路基地和封装层打印时，设置高压电源为支流模式，电压大小为700V，连接PDMS料筒的精密背压控制阀设置为10kPa，打印PDMS喷嘴打印高度设置为0.1mm；连续准射流模式进行电路打印时，设置高压电源为直流电模式，电压大小为900V，连接纳米导电银浆料筒的精密背压控制阀设置为0.15MPa，打印纳米导电银浆喷嘴打印高度设置为0.15mm；打印时的合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
步骤3：3D打印。
首先，纳米导电银浆和PDMS打印时无需进行光固化，故不开启光固化模块；通过Z轴精密位移台带动纳米导电银浆打印喷嘴移动到距打印基材0.15mm处，PDMS打印喷嘴距打印基材0.1mm处；开启高压电源、精密背压控制阀，在背压等作用下打印喷嘴内的材料从喷嘴口喷出，形成半月形弯液面，弯液面处于平板电极与打印喷嘴间形成的电场中，强电场力使喷嘴口处材料弯液面形成泰勒锥，随着电场力逐渐增大，泰勒锥尖材料喷射而出形成极细射流，沉积在打印基材上；
然后，连接PDMS的精密背压控制阀开气，按照设定好的打印程序，完成柔性混合电路基底的打印后关闭其精密背压控制阀；连接纳米导电银浆的精密背压控制阀开气，按照设定好的程序完成连接电路的打印后关闭其精密背压控制阀；连接PDMS的精密背压控制阀重新开气，按照设定好的打印程序，完成柔性混合电路封装层的打印后关闭其精密背压控制阀；
最后，多层混合电路打印时，Z轴精密位移台在初始打印位置上升一定高度后重新定零点，并重复上述打印步骤；打印程序运行完毕后，关闭所有供料模块，关闭所有精密背压控制阀、高压电源；XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头移动到打印初始位置。
步骤4：打印后处理。
关闭观测定位模块，从平板电极上取下柔性混合电路进行烧结处理(110℃烧结50min)。
实施例3：
为实现高效且大面积制造透明电极，本公开实施例3提供了一种单平板电极电场驱动单材料多喷头喷射沉积微纳3D打印装置的工作方法。
其中：打印材料选择为纳米导电银浆(粘度35000mPa·s，银含量80％，表面张力32dynes/cm)；打印喷嘴选用30G不锈钢导电喷嘴(内径为0.16mm)，打印喷嘴选择4个呈菱形排布；打印基材选用300mm×300mm×2mm普通透明玻璃；平板电极选择350mm×350mm×3mm铜板。
具体打印过程及打印参数如下：
步骤1：打印初始化。
将打印基材固定在平板电极上，各运动模块使能，XYZ三轴精密运动平台移动到打印初始位置。
步骤2：打印前处理。
首先，制造透明电极的材料粘度大于1000mPa·s且打印微观结构，所以，模式选择为连续锥射流模式；
其次，开启观测相机，根据选定的模式，设置高压电源为放大器模式；信号发生器设置为频率为800Hz、峰值为7V、偏置电压为0V、占空比50％；精密背压控制阀设置为0.15Mpa；打印高度设置为0.15mm；打印时的合成速度设定为20mm/s，加速度设定为100mm/s2。
步骤3：3D打印。
首先，纳米导电银浆打印时无需进行光固化，故不开启光固化模块；通过Z轴精密位移台带动打印喷嘴移动到距打印基材0.15mm处；开启高压电源、信号发生器、精密背压控制阀，在背压等作用下打印喷嘴内的材料从喷嘴口喷出，形成半月形弯液面，弯液面处于平板电极与打印喷嘴间形成的电场中，强电场力使喷嘴口处材料弯液面形成泰勒锥，随着电场力逐渐增大，泰勒锥尖材料喷射而出形成极细射流，沉积在打印基材上；
然后，按照设定好的打印程序，完成特征结构的打印；
最后，打印程序运行完毕后，关闭供料模块，关闭精密背压控制阀、高压电源和信号发生器；XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头移动到打印初始位置。
步骤4：打印后处理。
关闭观测定位模块，从平板电极上取下打印基材进行烧结处理(130℃烧结40min)。
优选的，本公开各实施例所述的单平板电极电场驱动微纳3D打印工作方法适用的打印装置，可以包括打印喷头、打印喷嘴、打印基材、平板电极、打印平台、高压电源、供料模块、精密背压控制模块、XYZ三轴精密运动平台、正压气路***、观测定位模块、UV固化模块、激光测距仪、底座、连接架、第一可调支架、第二可调支架、第三可调支架；
底座置于最下部；打印平台固定在底座上；平板电极置于打印平台之上；高压电源一端与平板电极相连，另一端接地；打印基材置于平板电极之上；打印喷嘴与打印喷头最下端的出料口相连，并置于平板电极的正上方，且打印喷嘴垂直于平板电极；供料模块与打印喷头的下半部相连；精密背压控制模块与打印喷头的顶部相连；正压气路***与精密背压控制模块相连；打印喷头通过连接架与XYZ三轴精密运动平台相连接；观测定位模块置于第一可调支架，第一可调支架固定在连接架上；激光测距仪置于第二可调支架，第二可调支架固定在连接架上；UV固化模块置于第三可调支架，第三可调支架固定在连接架上。
优选的，打印喷头的数量：1、2、3、…、N个；打印喷嘴的数量：1、2、3、…、N个；料模块的数量：1、2、3、…、N个；精密背压控制模块的数量：1、2、3、…、N个。
根据实际需求和要求功能的不同，所述打印喷头、打印喷嘴、供料模块、精密背压控制模块的数量和组合配置选用以下两种方案。
第一种方案：所述打印喷头模块、打印喷嘴模块、供料模块、精密背压控制模块均一一对应，且打印喷头、打印喷嘴、供料模块、精密背压控制模块的数量不少于2个。
第二种方案：打印喷头是一个，打印喷头底部设置至少2个以上的出料口，这些出料口分别与打印喷嘴相连接；所述打印喷嘴的数量不少于2个；供料模块的数量是1个；精密背压控制模块的数量是1个。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (27)
1.一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：打印初始化；
将打印基材固定在平板电极上，XYZ三轴精密运动平台移动到打印初始位置，UV固化模块使能，打印平台加热到设定的温度，施加在平板电极上的高电压使能；
步骤2：打印前处理；
步骤2.1：开启观测定位模块，根据打印零件的材料性能和打印零件的几何特征结构，确定相应的打印工作模式及其组合；
当所打印件材料的粘度范围为20mPa·s～1000mPa·s时，所打印件几何特征结构包含宏观、介观、微观和纳观特征结构时：采用脉冲锥射流模式打印微观和纳观特征结构，采用微挤出模式打印宏观和介观特征结构；
当所打印件材料的粘度范围为1000mPa·s-60000mPa·s时，所打印件几何特征结构包含宏观、介观、微观和亚微特征结构：采用连续锥射流模式打印微观和亚微特征结构，采用微挤出模式打印宏观和介观特征结构；
步骤2.2，根据打印件材料性能、包含的特征结构以及所对应的打印工作模式，设置相应的打印工艺参数；
步骤3：3D打印；
步骤3.1：根据所打印材料是否需要光固化选择光固化模块开启与否，利用激光测距仪，并通过XYZ三轴精密运动平台的Z轴的移动，将打印喷嘴与打印基材的距离调整到设定的高度；利用精密背压控制模块和平板电极，通过调整背压和电压值，并借助观测定位模块的观测相机，将打印喷嘴末端的打印材料调整到需要的形貌；
步骤3.2：按照程序设定好的打印路径，通过XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头或者打印平台喷射沉积打印材料，完成一层特征结构的打印，该层特征结构打印完成后，通过XYZ三轴精密运动平台的Z轴带动打印喷头向上移动所设定的打印层厚高度，继续执行下一层特征结构的打印；重复以上操作，直至完成所有层的打印；
步骤3.3：打印完成最后一层后，关闭供料模块，关闭精密背压控制模块和高压电源，XYZ三轴精密运动平台的Z轴带动打印喷头向上移动打印初始位置，XYZ三轴精密运动平台的X轴和Y轴带动打印喷头,或者打印平台移动到打印初始位置；
步骤4：打印后处理；
关闭打印平台的加热，关闭UV固化模块，关闭观测定位模块，关闭激光测距仪，从打印平台取下打印基材和打印件，对打印件进行后处理。
2.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤2中，通过打印程序自动变换高压电源输出电压类型和大小以及初始设置的打印高度来进行打印模式间的切换。
3.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤2.1中，根据打印零件的材料性能和打印零件的几何特征结构，打印工作模式为脉冲锥射流模式、微挤出模式和连续锥射流模式中的一种或者任意两种或者三种的组合。
4.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤2.2中，打印工艺参数包括电压、背压、打印速度、打印高度、喷嘴尺寸、电压频率和占空比、打印平台加热温度和打印喷嘴温度，各个打印工艺参数根据经验数据、理论公式和已经实验优化得到。
5.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤3.1中，将打印喷嘴末端的打印材料调整到需要的形貌，包括以下步骤：
步骤3.1.1：打印喷嘴内打印材料在背压和自身的重力作用下被挤出到达打印喷嘴末端形成弯液面，在打印喷嘴处被挤出的打印材料与平板电极间所形成自激发稳定静电场作用下，弯液面处的打印材料被极化，外表面聚集负电荷；
步骤3.1.2：通过调节高压电源的电压的数值，使平板电极的电场发生变化，进而使打印喷嘴末端极化的打印材料的电场力发生变化，在电场力、黏滞力、表面张力和背压的共同作用下，弯液面被逐渐拉伸变形，形成泰勒锥；
步骤3.1.3：通过调节工艺参数，将泰勒锥的形貌和尺寸调整成设定的优化后的形貌和尺寸。
6.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
当打印材料为UV固化材料时，开启UV固化模块，打印完成后，在步骤4关闭UV固化模块。
7.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤3中，打印材料为热塑性材料时，打印喷嘴具有加热功能，打印工艺参数还包括打印喷头的加热温度。
8.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
包括至少2个打印喷头或者至少两个打印喷嘴；
当存在至少两个打印喷头和至少两个打印喷嘴时，通过结合不同类型和尺寸的打印喷嘴，实现多材料宏、微和纳跨尺度3D打印；
当存在至少两个喷嘴且只有一个打印喷头时，打印喷头底部设置至少两个出料口，每个出料口与一个打印喷嘴连接，实现同一种材料的宏、微和纳跨尺度3D打印。
9.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印多层微纳结构时，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，结合观测定位模块的垂直观测相机的精密定位功能，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维微纳实体结构。
10.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
步骤4中，打印后处理至少包括打印件的真空加热、UV后固化和表面处理。
11.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印喷嘴为导电和非导电的任意一种材料或几种材料的组合。
12.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印喷嘴为不锈钢喷嘴、武藏喷嘴、玻璃喷嘴或硅喷嘴。
13.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印喷嘴的内径尺寸范围为0.1μm～300μm。
14.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印基材为导体、半导体和绝缘体中的任意一种或几种材料的组合。
15.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印基材为PET、PEN、PDMS、玻璃、硅片或铜版。
16.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
平板电极为铜电极、铝电极、钢电极和复合导电材料中的任意一种或几种材料的组合。
17.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
平板电极的厚度范围为0.5mm～30mm。
18.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
平板电极的平面度大于或等于公差等级5级精度。
19.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
XYZ三轴精密运动平台为龙门式结构，采用直线电机驱动。
20.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
XYZ三轴精密运动平台采用三轴气浮运动台。
21.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
XYZ三轴精密运动平台采用三轴龙门线轨运动台。
22.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
XYZ三轴精密运动平台的X和Y轴的有效行程范围为0mm～600mm，重复定位精度大于或等于±0.4μm，定位精度大于或等于±0.6μm，最大速度为1000mm/s，最大加速度大于或等于1g，Z轴的有效行程范围为0mm～300mm，定位精度大于或等于±0.1μm。
23.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
高压电源能够输出直流高压、交流高压或者脉冲高压，能够设置偏压，设置的偏压范围为0KV～2KV且连续可调；
直流高压范围为0KV～5KV，输出脉冲直流电压范围为0KV～±4KV且连续可调，输出脉冲频率范围为0Hz～3000Hz且连续可调，交流高压范围为0KV～±4KV。
24.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印过程中供料模块的供料速度和打印速度精准匹配。
25.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印平台的加热温度范围为20℃～200℃。
26.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
打印喷头的加热温度范围20℃～400℃。
27.如权利要求1所述的单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印方法，其特征在于：
精密背压控制模块调压精度大于或等于100kPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202110077300.XA CN112895426B (zh) | 2021-01-20 | 2021-01-20 | 一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3d打印方法 |
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| CN202110077300.XA CN112895426B (zh) | 2021-01-20 | 2021-01-20 | 一种单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3d打印方法 |
Publications (2)
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