一種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3d打印方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，該方法將3D打印技術(shù)的分層制造原理與近場(chǎng)靜電紡絲微小液滴或微納纖維絲成形控制技術(shù)相結(jié)合，首先利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)零件模型，并對(duì)模型的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)處理得到噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；然后通過(guò)控制電壓、接收距離、流速、溫度、濕度等因素將材料液體制備成微納液體流或微微納纖維絲；并通過(guò)碰頭與接收平臺(tái)的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)微納液體流或微微納纖維絲的有序堆積；通過(guò)分層制造，層層堆積進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了微納米結(jié)構(gòu)的成形制造；本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的多材料、低成本快速制造。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納制造與增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印直接利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型，無(wú)需刀具與模具，通過(guò)由點(diǎn)到線(xiàn)、由線(xiàn)到面、由面到體的分層離散與堆積過(guò)程，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的制造。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為，3D打印技術(shù)與其它數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，將推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命。目前，市場(chǎng)上已有各種商業(yè)化的3D打印方法及其裝備，包括光固化法、熔融沉積法、選區(qū)激光燒結(jié)法等。但是，現(xiàn)有的3D打印方法或局限于特定的成形材料、或需要昂貴的儀器設(shè)備(激光器)，更重要的是很難制造出具有微納結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體零件，從而極大地限制了 3D打印技術(shù)的普及應(yīng)用，尤其是在微納制造【技術(shù)領(lǐng)域】。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，該方法不僅可以極大擴(kuò)展3D打印技術(shù)的材料適用范圍，而且可以以較低成本實(shí)現(xiàn)具有微納結(jié)構(gòu)的三維零件的一體化制造。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法包括以下步驟:
[0005]I)繪制微納結(jié)構(gòu)的三維零件模型，對(duì)三維零件模型進(jìn)行分層處理，得到三維零件模型各分層截面的輪廓數(shù)據(jù)及填充數(shù)據(jù)；
[0006]2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控?cái)D出裝置內(nèi)，調(diào)整液態(tài)材料的擠出速度，將數(shù)控?cái)D出裝置的擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器的正極相連，調(diào)節(jié)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓，然后將接收平臺(tái)接地，使擠出噴頭與接收平臺(tái)之間形成高壓靜電場(chǎng)，然后調(diào)整擠出噴頭與接收平臺(tái)之間的距離，使擠出噴頭擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成微納液體流或微納纖維絲；
[0007]3)通過(guò)數(shù)控X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中第一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納液體流時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度使微納液體流固化；當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納纖維絲時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度來(lái)調(diào)控微納纖維絲的固化程度，使微納纖維絲與相鄰微納纖維絲之間牢固融合，即可在接收平臺(tái)上制造出與三維零件模型中第一分層截面輪廓相一致的第一分層截面結(jié)構(gòu)；
[0008]4)通過(guò)Z軸數(shù)控電機(jī)使接收平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)分層截面厚度的距離，然后讓擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中后一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，新沉積的微納液體流或微納纖維絲與前一分層截面結(jié)構(gòu)粘結(jié)固化后，形成三維零件模型中后一分層截面結(jié)構(gòu)；[0009]5)通過(guò)重復(fù)步驟4)的過(guò)程，逐層完成三維零件模型各分層截面結(jié)構(gòu)的制作，從而得到微納結(jié)構(gòu)的三維零件實(shí)體。
[0010]所述三維零件模型中每一分層截面結(jié)構(gòu)的厚度均為0.0005-0.1mm ；
[0011]所述液體材料的擠出速度為0.2?10ml/h ；
[0012]所述擠出噴頭或接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擠出噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)速度為0.001 ?2m/s 0
[0013]所述直流高壓發(fā)生器輸出電壓為0.1?15kV。
[0014]步驟2)中所述然后調(diào)整擠出噴頭與接收平臺(tái)的距離，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)作用下形成微納液體流或微納纖維絲的具體操作為，然后將擠出噴頭與接收平臺(tái)的距離調(diào)整至0.5-5_之間，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成微納液體流或微納纖維絲。
[0015]所述液態(tài)材料為將材料加熱溶解后得到熔融狀態(tài)的液態(tài)材料或?qū)⒉牧先苡谟袡C(jī)或無(wú)機(jī)溶劑得到的材料溶液。
[0016]所述數(shù)控?cái)D出裝置為精密注射泵。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明所述基于近場(chǎng)靜電紡絲技術(shù)的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法根據(jù)液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下制備成微納液體流或微納纖維絲的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合3D打印方法的分層制造技術(shù)，將近場(chǎng)靜電紡絲所紡制的微納纖維絲或微納液體流排列粘連成二維微納米結(jié)構(gòu)或三維微納米結(jié)構(gòu)。該方法可極大擴(kuò)充3D打印技術(shù)的材料選擇范圍，并且成本低，大幅提高3D打印技術(shù)的成形精度，從而實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的制造。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明中各裝置的位置關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0021]參考圖1，本發(fā)明所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法包括以下步驟:
[0022]I)繪制微納結(jié)構(gòu)的三維零件模型，對(duì)三維零件模型進(jìn)行分層處理，得到三維零件模型各分層截面的輪廓數(shù)據(jù)及填充數(shù)據(jù)；所述三維零件模型中每一分層界面結(jié)構(gòu)的厚度均為 0.0005-0.1mm ；
[0023]2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控?cái)D出裝置內(nèi)，調(diào)整液態(tài)材料的擠出速度，將數(shù)控?cái)D出裝置的擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器的正極相連，調(diào)節(jié)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓，然后將接收平臺(tái)接地，使擠出噴頭與接收平臺(tái)之間形成高壓靜電場(chǎng)，然后將擠出噴頭與接收平臺(tái)之間的距離調(diào)整至0.5-5mm之間，使擠出噴頭擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成微納液體流或微納纖維絲。優(yōu)選的，所述數(shù)控?cái)D出裝置為精密注射泵。
[0024]3)通過(guò)數(shù)控X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中第一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納液體流時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度使微納液體流固化；當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納纖維絲時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度來(lái)調(diào)控微納纖維絲的固化程度，使微納纖維絲與相鄰微納纖維絲之間牢固融合，即可在接收平臺(tái)上制造出與三維零件模型中第一分層截面輪廓相一致的第一分層截面結(jié)構(gòu)，其中液體材料的擠出速度為0.2?10ml/h，擠出噴頭或接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擠出噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)速度為0.001?2m/s，直流高壓發(fā)生器輸出電壓為0.1?15kV。
[0025]4)通過(guò)Z軸數(shù)控電機(jī)使接收平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)分層截面厚度的距離，然后讓擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中后一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，新沉積的微納液體流或微納纖維絲與前一分層截面結(jié)構(gòu)粘結(jié)固化后，形成三維零件模型中后一分層截面結(jié)構(gòu)；
[0026]5)通過(guò)重復(fù)步驟4)的過(guò)程，逐層完成三維零件模型各分層截面結(jié)構(gòu)的制作，從而得到微納結(jié)構(gòu)的三維零件實(shí)體。
[0027]所述液態(tài)材料為將材料加熱溶解后得到熔融狀態(tài)的液態(tài)材料或?qū)⒉牧先苡谟袡C(jī)或無(wú)機(jī)溶劑得到的材料溶液。
[0028]其中，X軸與Y軸組成的平面與水平面平行，且X軸與Y軸相互垂直，Z軸與水平面垂直。
[0029]實(shí)施例一
[0030]配制利用基于近場(chǎng)靜電紡絲的3D打印方法制備微納結(jié)構(gòu)所使用的液態(tài)材料時(shí)，按體積比1:1取N，N-二甲基甲酰胺和丙酮按，以N，N-二甲基甲酰胺和丙酮按的混合物為溶劑，將聚乳酸-聚羥基乙酸(PLGA)溶解在該溶劑內(nèi)，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PLGA溶液，制備微納結(jié)構(gòu)時(shí)以PLGA溶液為液態(tài)材料。
[0031]所述基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法包括以下步驟:
[0032]I)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)具有微納結(jié)構(gòu)的三維零件模型，然后對(duì)該三維零件模型進(jìn)行分層處理，分層厚度為0.0lmm,從而形成三維零件模型各分層截面的輪廓數(shù)據(jù)及填充數(shù)據(jù)；
[0033]2)將制備的液態(tài)材料裝入精密注射泵內(nèi)，控制液態(tài)材料的擠出速度為0.4ml/h,將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，將直流高壓發(fā)生器的輸出調(diào)整至0.8kV，并將接收平臺(tái)接地，從而在擠出噴頭與接收平臺(tái)間形成高壓靜電場(chǎng)；調(diào)整控制擠出噴頭與接收平臺(tái)之間的距離為1mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)作用下形成微納液體流；
[0034]3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出噴頭按照三維零件模型的第一層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)D出噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.3m/s，通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度為_(kāi)20°C使微納液體流固化，并與相鄰微納纖維絲間形成牢固融合，從而在接收平臺(tái)上制造出與三維零件模型第一分層截面的輪廓相一致的分層截面結(jié)構(gòu)；
[0035]4)通過(guò)Z軸數(shù)控電機(jī)使接收平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)分層厚度的距離，然后讓擠出噴頭按照三維零件模型第二分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，新沉積的微納液體流能夠與第一分層結(jié)構(gòu)粘結(jié)固化在一起，從而完成三維零件模型第二分層輪廓結(jié)構(gòu)的制造；
[0036]5)按照步驟4)的方法逐層完成三維零件模型各分層輪廓數(shù)據(jù)的制造，從而得到所設(shè)計(jì)的具有微納結(jié)構(gòu)的三維零件實(shí)體。
[0037]實(shí)施例二
[0038]在282°C下將等規(guī)聚丙烯顆粒加熱熔化，以制備基于近場(chǎng)靜電紡絲的3D打印方法所需要的液態(tài)材料。
[0039]所述基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法包括以下步驟:
[0040]I)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)具有微納結(jié)構(gòu)的三維零件模型，然后對(duì)該三維零件模型進(jìn)行分層處理，分層厚度為0.0lmm,從而得到三維零件模型各分層截面的輪廓數(shù)據(jù)及填充數(shù)據(jù)；
[0041]2)將制備的液態(tài)材料裝入精密擠壓注射泵內(nèi)，將注射泵加熱保溫至282°C，將液態(tài)材料的擠出速度控制到0.4ml/h，將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，將直接高壓發(fā)生器的輸出電壓調(diào)節(jié)至0.5kV，并將接收平臺(tái)接地，從而在擠出噴頭與接收平臺(tái)間形成高壓靜電場(chǎng)；調(diào)整控制擠出噴頭與接收平臺(tái)之間的距離為1mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)作用下形成微納纖維絲；
[0042]3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出噴頭按照三維零件模型的第一層截面輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)D出噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.3m/s，通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度為110°C使微米纖維固化，并與相鄰微納纖維絲間形成牢固融合，從而在接收平臺(tái)上制造出與三維零件模型第一分層截面的輪廓相一致的分層截面結(jié)構(gòu)；
[0043]4)通過(guò)Z軸數(shù)控電機(jī)使接收平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)分層厚度10 Pm的距離，然后讓擠出噴頭按照三維零件模型第二分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，新沉積的微納纖維絲能夠與第一分層截面結(jié)構(gòu)粘結(jié)固化在一起，從而完成三維零件模型第二分層輪廓結(jié)構(gòu)的制造；
[0044]5)根據(jù)步驟4)的方法逐層完成三維零件模型各分層輪廓數(shù)據(jù)的制造，從而得到所設(shè)計(jì)的具有微納結(jié)構(gòu)的三維零件實(shí)體。
【權(quán)利要求】
1.一種基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)繪制微納結(jié)構(gòu)的三維零件模型，對(duì)三維零件模型進(jìn)行分層處理，得到三維零件模型各分層截面的輪廓數(shù)據(jù)及填充數(shù)據(jù)； 2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控?cái)D出裝置內(nèi)，調(diào)整液態(tài)材料的擠出速度，將數(shù)控?cái)D出裝置的擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器的正極相連，調(diào)節(jié)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓，然后將接收平臺(tái)接地，使擠出噴頭與接收平臺(tái)之間形成高壓靜電場(chǎng)，然后調(diào)整擠出噴頭與接收平臺(tái)之間的距離，使擠出噴頭擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成微納液體流或微納纖維絲； 3)通過(guò)數(shù)控X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中第一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納液體流時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度使微納液體流固化；當(dāng)液態(tài)材料通過(guò)擠出噴頭擠出形成微納纖維絲時(shí)，則通過(guò)控制接收平臺(tái)的溫度和濕度來(lái)調(diào)控微納纖維絲的固化程度，使微納纖維絲與相鄰微納纖維絲之間牢固融合，即可在接收平臺(tái)上制造出與三維零件模型中第一分層截面輪廓相一致的第一分層截面結(jié)構(gòu)； 4)通過(guò)Z軸數(shù)控電機(jī)使接收平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)分層截面厚度的距離，然后讓擠出噴頭或接收平臺(tái)按照三維零件模型中后一分層截面的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，新沉積的微納液體流或微納纖維絲與前一分層截面結(jié)構(gòu)粘結(jié)固化后，形成三維零件模型中后一分層截面結(jié)構(gòu)； 5)通過(guò)重復(fù)步驟4)的過(guò)程，逐層完成三維零件模型各分層截面結(jié)構(gòu)的制作，從而得到微納結(jié)構(gòu)的三維零件實(shí)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于， 所述三維零件模型中每一分層截面結(jié)構(gòu)的厚度均為0.0005-0.1mm ； 所述液體材料的擠出速度為0.2?10ml/h ； 所述擠出噴頭或接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擠出噴頭與接收平臺(tái)的相對(duì)速度為0.001?2m/So
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于，所述直流高壓發(fā)生器輸出電壓為0.1?15kV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于，步驟2)中所述然后調(diào)整擠出噴頭與接收平臺(tái)的距離，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)作用下形成微納液體流或微納纖維絲的具體操作為，然后將擠出噴頭與接收平臺(tái)的距離調(diào)整至0.5-5mm之間，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成微納液體流或微納纖維絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于，所述液態(tài)材料為將材料加熱溶解后得到熔融狀態(tài)的液態(tài)材料或?qū)⒉牧先苡谟袡C(jī)或無(wú)機(jī)溶劑得到的材料溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場(chǎng)靜電紡絲的微納結(jié)構(gòu)的3D打印方法，其特征在于，所述數(shù)控?cái)D出裝置為精密注射泵。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK103612391SQ201310565682
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】賀健康, 李滌塵, 秦霆, 劉亞雄, 靳忠民, 徐方遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)