一种微纳尺度3D打印机及方法与流程

本发明属于增材制造和微纳制造技术领域，具体涉及一种微纳尺度3D打印机及方法。

背景技术：

微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料(超材料、轻量化材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等)、新能源(太阳能电池、微型燃料电池等)、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、可穿戴电子、嵌入式电子、光电子和柔性电子等众多领域对于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求。然而，现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面均难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业化应用的需求，例如从技术层面，现有的诸如光学光刻、电子束光刻、干涉光刻、激光微细加工、软光刻、纳米压印光刻等微纳制造技术主要实现2D或者2.5D微纳结构(简单几何图形)制造，难以实现复杂真三维微纳结构的制造；此外，现有的这些微纳制造方法还面临设备和掩模(或者模具)昂贵、制造成本高、周期长、可用材料种类少等问题。微纳尺度3D打印对于以上难题提供了一种全新的解决方案，并且已经显示了巨大的工业化应用前景。

微纳尺度3D打印(亦称为微纳增材制造)是一种基于增材原理制造微纳结构或者功能性产品(具有微纳特征)的新型微纳加工技术，与现有微纳制造技术相比，它具有成本低、结构简单、可用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构、复合(多材料)材料微纳结构、宏/微复合结构以及嵌入异质结构制造方面具有非常突出的潜能和优势。微纳尺度3D打印目前已经被用于航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源(燃料电池、太阳能等)、柔性电子、印刷电子、微纳光学器件、微流控器件等众多领域和行业

但是，现有的各种微纳尺度3D打印工艺面临一些不足和一定的局限性。例如微立体光刻打印材料单一，分辨率较低，尤其对于必须支撑材料的结构难以实现打印；双光子聚合激光直写分辨率虽然很高，但是打印材料和成形零件的尺寸受限，无法实现宏/微跨尺度制造，而且成本非常高。尤其是现有的微纳3D打印还面临支撑去除困难的问题。因此，迫切需要开发新型微纳尺度3D技术、工艺、材料和装备。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种微纳尺度3D打印机及方法，本发明基于电流体动力喷射打印(亦称为电喷印)，打印多种功能性材料(导电材料、绝缘材料、高粘度材料、金属材料等)，并结合采用离型材料和水溶性支撑材料，实现低成本、高效、高分辨率的宏/微/纳跨尺度复杂真三维结构打印，解决微纳3D打印分辨率低、可打印材料种类少以及支撑去除困难等难题，尤其是解决了目前微纳尺度3D打印技术在成本、材料、分辨率、宏/微跨尺度制造、去支撑等方面的不足和局限性。

本发明的一个目的是提供一种基于电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现可用于多种材料微纳结构的高效、低成本、大面积制造。电喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。其基本原理：在导电喷嘴(第一电极)和导电基板(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以及稳定的锥射流，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。

本发明基于提供的电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现可打印材料范围广泛，不受材料粘度、介电性能等因素影响。实现了从无机材料到有机材料，从绝缘材料到导电材料，从溶液到悬浊液等多种材料三维结构的高分辨率打印，打破了现有微尺度3D打印技术打印材料种类受限的瓶颈。此外，打印材料的粘度几乎不受限制。

本发明基于提供的电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现三维结构的跨尺度制造，仅通过调节工艺参数(电压、喷嘴与基材距离、喷射频率、工作台移动速度等)，便可在同一打印喷头下实现复杂三维结构的宏尺度、微尺度乃至纳尺度的跨尺度高分辨率打印。

本发明的再一个目的为提供一种电喷印微纳尺度3D打印方法，在微结构或者电子产品生产的过程中容易去除支撑。采用在支撑结构和模型结构之间打印离型材料的方法，并采用水溶性支撑材料(如PVA等)，实现了支撑结构的有效简单剥离，大大简化了后处理过程，获得的产品表面品质好，更适用于制造必须使用支撑结构的微零件或微结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微纳尺度3D打印机，包括喷头组、打印床、控制器和三维运动机构，其中，所述喷头组包括多个喷头，每个喷头在导电喷嘴和导电基板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以及稳定的锥射流，所述控制器控制三维运动机构动作，使其带动喷头组与打印床发生相对运动，同时控制各个喷头的动作，对打印床上基材的设定位置进行微液滴喷印，依次打印模型材料、离型材料与支撑材料，所述离型材料是低表面能材料，所述支撑材料为水溶性材料。

通过顺序打印，在模型材料与支撑材料之间打印离型材料，结合使用水溶性支撑材料，实现微结构或者电子产品生产的过程中支撑结构的有效简单剥离，能够提高获得的产品表面品质，更适用于制造必须使用支撑结构的微零件或微结构。

所述三维运动机构，包括X、Y和Z三个方向的运动机构，所述X、Y方向运动机构承载打印床，所述Z方向的运动机构上设置喷头组。

当然，本领域技术人员能够在本发明的工作原理的基础上，利用其它三维运动机构进行替换，如三维工作机床、多自由度机器臂等，均属于简单替换，为不需要付出创造性的劳动，均应属于本发明的保护范围。

同时，将打印床或喷头组相对于三维运动机构的位置进行简单的组合或替换，均属于简单替换，为不需要付出创造性的劳动，均应属于本发明的保护范围。

所述打印床上设置有承片台和基材，承片台固定在工作台上方，承片台设置导电层或导电材料，所述基材位于承片台上方，基材通过真空吸附固定在承片台上。

所述基材可为绝缘材料、半导体材料或者导电材料，基材表面可依据打印材料特性进行表面处理。

所述基材的固定方法可替换为其他方式。

所述3D打印机还设置有光固化装置，安装在打印喷头的附近，曝光光源照射到打印材料沉积在基材上的区域，实现光固化打印材料的快速固化。

所述3D打印机还设置有视频采集装置，视频采集装置安装在工作台一侧，监控整个电喷印过程和图形打印过程。

当然，本领域技术人员根据本发明的构思可在3D打印机上设置有其它外设装置，以更加完善3D打印过程或效果，或对现有的外设装置进行组成结构、放置位置等方面的简单变换和组合即可得到的方案，无需付出任何创造性劳动即能想到。

模型材料为液态有机高分子材料和无机材料，有机高分子类包括聚合物、光敏树脂，水凝胶、PC等；无机类包括纳米金属材料、纳米陶瓷材料等。支撑材料为水溶性高分子材料(如PVA等)。离型材料为液态低表面能材料，包括含氟聚合物和有机硅聚合物。

当然，本领域技术人员在本发明的上述启示下，能够将上述材料进行简单替换，属于不需要付出创造性的劳动。

所述喷头组包括第一打印喷头、第二喷头和第三喷头，分别打印模型材料、支撑材料、离型材料。

优选的，所述第一喷头、第二喷头和第三喷头各由两部分构成，一部分是储存打印材料的针筒，一部分是连在针筒下方的导电喷嘴。

所述喷头组的喷头的导电喷嘴连接高压电源正极，高压电源负极与基材相连。

所述喷头组的喷头通过压力管路连接有气动系统，喷头进气口与压力管路连接，保证材料能够持续从喷嘴打出。

优选的，所述导电喷嘴为金属喷嘴或内壁涂敷导电材料，导电喷嘴的内径为0.1-500μm。

优选的，所述微尺度3D打印机的打印工艺参数，外加电压范围0-4000v，气压0-20psi，脉冲频率0-3000Hz，打印速度0-300mm/s，喷嘴和基材之间的工作距离为0-3mm。

一种微纳尺度3D打印方法，在喷头的喷嘴和基板之间形成强电场力，强电场力将流体从喷嘴口拉出形成泰勒锥以及稳定的锥射流，对打印床上的基材设定位置的微液滴喷印，喷印过程为顺序打印，依次打印模型材料、离型材料与水溶性支撑材料。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够实现任意复杂真三维结构的高分辨率、低成本、多材料生产制造。

(2)本发明仅调整打印工艺参数，便能在同一尺寸打印喷头下实现打印结构的多尺度变化，实现宏/微/纳结构的跨尺度制造。

(3)本发明结合离型材料和水溶性支撑材料实现了支撑结构的有效简单去除，保证了打印零件的制造精度，适合复杂三维微纳特征结构的制造。

(4)本发明可供打印材料范围广，粘度几乎不受限制。从无机材料到有机材料，从绝缘材料到导电材料，从低粘度材料到高粘度材料等，以及生物材料、金属纳米粒子等各种材料的打印。

(5)本发明具有结构简单、成本低、打印效率高等突出优点，易于实现大面积复杂三维微纳结构制造。

附图说明

图1为本发明实施例1的微尺度3D打印机的结构示意图；

图2为本发明实施例2的微尺度3D打印机的结构立体图；

其中，1底座，2x-y工作台，3承片台，4第一喷头，5第二喷头，6第三喷头，7z向工作台，8针筒，9导电喷嘴，10基材，11高压电源，12紫外固化光源，13机架，14压力管路，15摄像头，16加热垫。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，微纳尺度3D打印机，它包括：底座1、x-y工作台2、承片台3、第一喷头4、第二喷头5、第三喷头6、z向工作台7、针筒8、导电喷嘴9、基材10、高压电源11、机架13、压力管路14、摄像头15，加热垫16。其中底座1置于最下方；x-y工作台2置于底座1上；打印床3固定在x-y工作台2上；第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6分别置于承片台3正上方，并与z向工作台7相连接；z向工作台7固定在机架13的横梁1301上；机架13固定在底座1上；第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6分别设置进气口，进气口均与压力管路14通过软管相连。第一喷头4最下部导电喷嘴901与基材10之间设置高压电源5，其中导电喷嘴901与高压电源11的正极连接，基材10与高压电源11的负极连接。第二喷头5下部的导电喷嘴902与高压电源11的正极连接，第三喷头6下部的导电喷嘴903也与高压电源11的正极连接。加热垫16置于承片台3下方，x-y工作台2上方。

所述x-y工作台2为二维精密位移台，采用LS-180线性位移台，工作行程150mm，双向重复定位精度±0.1μm。实现基材10在x-y方向的移动，并与第一喷头4、第二喷头5、第三喷头6沿着z向上下运动相配合，完成每一层结构的制造。

所述z向工作台7为一维高精密位移台。采用PI公司的M-501超精密z轴位移台，重复精度0.1μm。z向工作台7带动第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6沿z向上下运动。

所述加热垫16为硅橡胶加热垫，承片台3为不锈钢板，基材10为硅片，通过铜箔纸固定在承片台3上。

所述第一喷头4、第二喷头5、第三喷头6进气口进气压力为0-10ps i。

所述高压电源11采用高压脉冲电源，输出脉冲电压0-4KV连续可调，输出脉冲频率10Hz-1500Hz，输出波形为方形。

所述第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6包括针筒8和导电喷嘴9，针筒中分别存储模型材料、支撑材料、离型材料。

所述模型材料为环氧树脂，支撑材料为PVA，离型材料为聚二甲基硅氧烷乳液。

实施例2：

如图2所示，微纳尺度3D打印机包括：底座1、x-y工作台2、承片台3、第一喷头4、第二喷头5、第三喷头6、z向工作台7、针筒8、导电喷嘴9、基材10、高压电源11、紫外固化光源12，机架13、压力管路14、摄像头15。其中底座1置于最下方；x-y工作台2置于底座1上；打印床3固定在x-y工作台2上；第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6分别置于承片台3正上方，并与z向工作台7相连接；z向工作台7固定在机架13的横梁1301上；机架13固定在底座1上；第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6分别设置进气口，进气口均与压力管路14通过软管相连。第一喷头4最下部导电喷嘴901与基材10之间设置高压电源5，其中导电喷嘴901与高压电源11的正极连接，基材10与高压电源11的负极连接。第二喷头5下部的导电喷嘴902与高压电源11的正极连接，第三喷头6下部的导电喷嘴903也与高压电源11的正极连接。紫外固化光源12分别固定在第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6附近。

所述x-y工作台2为二维精密位移台，采用LS-180线性位移台，工作行程150mm，双向重复定位精度±0.1μm。

所述z向工作台7为一维高精密位移台。采用PI公司的M-501超精密z轴位移台，重复精度0.1μm。z向工作台7带动第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6沿z向上下运动。

所述第一喷头4、第二喷头5、第三喷头6进气口进气压力为0-10ps i。

所述高压电源11采用高压脉冲电源，输出脉冲电压0-4KV连续可调，输出脉冲频率10Hz-1500Hz，输出波形为方形。

所述第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6包括针筒8和导电喷嘴9，针筒中分别存储模型材料、支撑材料、离型材料。

所述模型材料光敏树脂，支撑材料为PVA，离型材料为聚四氟乙烯乳液。

在第一喷头4、第二喷头5和第三喷头6的导电喷嘴附近设置摄像头15，实现喷嘴与基板距离的精确对准，同时监控整个电喷印过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。