本發(fā)明涉及一種三維打印微納結構的裝置及方法，屬于快速成型技術領域。
背景技術：
三維打印技術是通過逐層打印的方式來構造物體的一種快速成型技術。工程塑料是被應用的最為廣泛的一種三維打印材料，其打印方式基本上是通過原料擠出的方式逐層打印的，但由于受到噴頭直徑的限制以及纖維擠出后的膨脹效應，使得擠出的纖維直徑較粗，導致以此堆積而成的三維結構精確度較差，不能滿足微納結構的打印要求。
靜電紡絲是一種制備微/納米纖維最簡單、方便的方法之一，因為裝置簡單、成本較低而被各領域的研究人員所青睞。電紡纖維已被廣泛應用生物醫(yī)學工程、過濾材料、高效催化、光電器件等各個領域。在高壓電場的作用下，液滴的穩(wěn)定性被破壞，形成細小的射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收板上，形成微/納米纖維。然而，隨著紡絲時間的延長，沉積在接收板上的纖維累積，對電場分布產(chǎn)生嚴重的影響，進而影響射流的形成以及纖維的進一步沉積。
技術實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種利用交流電紡絲實現(xiàn)三維打印微納結構的裝置及方法，把改進的電紡技術應用于三維打印技術中，從而提高三維打印的精度。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種利用交流電紡絲實現(xiàn)三維打印微納結構的裝置，包括交流高壓電源發(fā)生器、推注系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)；所述的接收系統(tǒng)包括接收板、控溫系統(tǒng)以及三維運動系統(tǒng)；所述的控溫系統(tǒng)使得接收板的溫度穩(wěn)定在打印原料的熔點以下；所述的三維運動系統(tǒng)使接收板在空間中沿XYZ軸任意運動；所述的推注系統(tǒng)中裝入打印原料，通過針頭將打印原料出射沉積到接收板上；所述交流高壓電源發(fā)生器的輸出端兩極分別連接針頭和接收板，在針頭和接收板之間形成交變高壓電場。
所述的針頭與接收板垂直放置。
所述交流高壓電源發(fā)生器的輸出電壓波形為正弦波，有效值為3-10kV，頻率為40-200Hz。
所述打印原料為靜電紡絲聚合物，包括但不限于聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯。
本發(fā)明還提供一種利用交流電紡絲實現(xiàn)三維打印微納結構的方法，包括以下步驟：
1)構建待打印微結構的三維模型，并對三維模型進行分層處理，獲得各分層的輪廓信息和填充信息；
2)將打印原料裝入推注系統(tǒng)，在針頭處形成打印原料的球形液滴；在針頭和接收板上施加交流高壓電，使針頭和接收板之間形成交變高壓電場，在交變高壓電場的作用下，打印原料形成單一射流，沉積到接收板上形成微納米纖維；接收板的溫度穩(wěn)定在打印原料的熔點以下，使得微納米纖維固化；
3)控制接收板運動，得到三維模型的分層截面；依次遍歷三維模型的各分層，完成三維模型的打印。
所述三維模型每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
所述針頭與接收板的距離為1-10mm。
所述接收板相對針頭的運動速度為0.5-5m/min。
所述推注系統(tǒng)的推注速率為0.5-3ml/h。
本發(fā)明的有益效果是：采用交流高壓電源后，在交變高壓電場的作用下，針尖處的液滴周期性地被拉伸，液滴表面的不穩(wěn)定性加劇，當電場力大于表面張力時，液滴的表面會形成細小的射流，該射流的表面電荷極性周期性地改變，進而可使射流所帶的電荷可以被自身中和，避免了后續(xù)新形成的射流因帶同種電荷而被排斥，導致新形成的纖維不易沉積到接收板上。采用交變高壓電場，還可以有效地增加纖維沉積的厚度。采用交變高壓電場后，纖維可在絕緣接收板上沉積，有效地避免纖維持續(xù)堆積而導致電場分布發(fā)生變化，提高纖維在接收板上的沉積精度以及沉積厚度。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工作原理圖；
圖中，①-推注系統(tǒng)，②-控溫儀，③-加熱套筒，④-交流高壓電源，⑤-XYZ運動系統(tǒng)，⑥-恒溫臺。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。
本發(fā)明提供的一種利用交流電紡絲實現(xiàn)三維打印微結構的裝置，交流高壓電源發(fā)生器、推注系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)；所述的接收系統(tǒng)包括接收板、控溫系統(tǒng)以及XYZ運動系統(tǒng)，使接收板可以保持某一恒定溫度并沿XYZ軸任意運動，推注系統(tǒng)的針頭與接收板垂直放置。
打印原料裝入推注系統(tǒng)，使其在針頭處形成球形液滴，將交流電源分別接在針頭處以及接收板上，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場，在交變高壓電場的作用下，液滴的穩(wěn)定性被破壞，形成細小的單一射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收裝置上形成微/納米纖維，通過調(diào)節(jié)接收板的控溫系統(tǒng)使接收板穩(wěn)定在打印材料熔點以下的某一恒定溫度，使沉積到接收板上的微/納米纖維迅速固化，并且可以與新形成的微/納米纖維緊密結合，不被破壞。
通過控制運動系統(tǒng)，使其運動路徑與分層信息相一致，得到分層的截面。每完成一層的電紡后，使XYZ運動平臺沿Z軸下降一層的高度。依次循環(huán)直至完成所有的分層結構。
所述高壓電源為交流高壓電源，輸出電壓波形為正弦波，有效值為3-10kV，頻率為40-200Hz。
所述打印原料為可靜電紡絲的聚合物，通過使用溶劑或加熱的方法制備為具有一定粘度的均一溶液，包括聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等。
所述的三維微納結構每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
所述針頭與接收板的距離為1-10mm。
所述針頭與接收板的相對運動速度為0.5-5m/min。
所述推注速率為0.5-3ml/h。
本發(fā)明所述的一種利用交流電紡絲實現(xiàn)三維打印微結構的方法，包括以下具體步驟：
(1)利用計算機繪制預打印微結構的三維結構模型，并對其做分層處理，得到預打印微結構的分層信息，并導入接收裝置的運動系統(tǒng)中；上述每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
(2)將打印原料溶劑溶解或加熱熔融后裝入推注系統(tǒng)，調(diào)整推注速率在0.5-2ml/h之間，分別將交流高壓電源的兩端與針頭和接收板相連接，使針頭和接收板之間形成交變高壓電場，調(diào)節(jié)交流高壓電源的輸出電壓為3-10kV，然后調(diào)整針頭和接收板之間的距離在1-10mm之間，使被推出的液滴可以在交變高壓電場的作用下，表面的穩(wěn)定性被破壞，形成細小射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收裝置上形成微/納米纖維，通過調(diào)節(jié)接收板的控溫系統(tǒng)使接收板穩(wěn)定在打印材料熔點以下的某一恒定溫度，使沉積到接收板上的微/納米纖維迅速固化，并且可以與新形成的微/納米纖維緊密結合，不被破壞。
(3)通過控制運動系統(tǒng)，使其運動路徑與分層信息相一致，每完成一層的電紡即可得到一個分層的截面。每完成一個截面的電紡，使接收板沿Z軸下降一個分層厚度的高度，依次循環(huán)直至完成所有的分層結構。
實施例一
1)繪制預打印微結構的三維模型，并做分層處理，使每一分層厚度為0.02mm，得到預打印微結構的分層信息，導入運動控制系統(tǒng)，使其接收板的運動路徑和分層信息相一致。
2)將聚己內(nèi)酯顆粒裝入帶有不銹鋼針頭的玻璃注射器中加熱至150℃使其熔融，保溫4h以上并排除氣泡，放置推注泵上，調(diào)整推注速率為0.9ml/h；將交流高壓電源的兩端分別與針頭和接收板相接，調(diào)整交流高壓電源使其輸出為正弦波，有效輸出電壓為5kV，頻率為50Hz，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場；調(diào)整接收板和針頭的距離為5mm，使被推注出的液滴在交變高壓電場的作用下，形成微小細流，通過庫侖力的拉伸，進一步形成微納米纖維而沉積在運動的接收板上；調(diào)整接收板的移動速率為2m/min，使沉積在接收板上的纖維無扭曲，筆直而連續(xù)；調(diào)節(jié)接收板上的控溫系統(tǒng)，使其恒定在50℃，該溫度可以使沉積在接收板上的纖維快速固化，在兩根纖維的節(jié)點處起到固定的作用、在相鄰分層之間也起到重要的連接作用。
3)每完成一個分層的電紡，接收板沿Z軸方向向下下降0.02mm，即一個分層的厚度，然后繼續(xù)第二分層的電紡，一次重復循環(huán)直至完成所有分層的電紡，即可得到預設的三維微結構。
實施例二
1)繪制預打印微結構的三維模型，并做分層處理，使每一分層厚度為0.02mm，得到預打印微結構的分層信息，導入運動控制系統(tǒng)，使其接收板的運動路徑和分層信息相一致。
2)將聚己內(nèi)酯可以加入六氟異丙醇中溶解，形成15％的溶液，將溶液吸入10ml注射器中，放置在推注泵上，調(diào)整推注速率為0.4mm/min；將交流高壓電源的兩端分別與針頭和接收板相接，調(diào)整交流高壓電源使其輸出為正弦波，有效輸出電壓為3kV，頻率為100Hz，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場；調(diào)整接收板和針頭的距離為3mm，使被推注出的液滴在交變高壓電場的作用下，形成微小細流，通過庫侖力的拉伸，進一步形成微納米纖維而沉積在運動的接收板上；調(diào)整接收板的移動速率為3m/min，使沉積在接收板上的纖維無扭曲，筆直而連續(xù)；調(diào)節(jié)接收板上的控溫系統(tǒng)，使其恒定在-4℃，該溫度可以使沉積在接收板上的纖維快速固化，在兩根纖維的節(jié)點處起到固定的作用、在相鄰分層之間也起到重要的連接作用。
3)每完成一個分層的電紡，接收板沿Z軸方向向下下降0.02mm，即一個分層的厚度，然后繼續(xù)第二分層的電紡，一次重復循環(huán)直至完成所有分層的電紡，即可得到預設的三維微結構。