本發(fā)明屬于增材制造和微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微納尺度3D打印機及方法。

背景技術(shù)：

微納機電系統(tǒng)、生物醫(yī)療、組織工程、新材料(超材料、輕量化材料、復(fù)合材料、光子晶體、功能梯度材料等)、新能源(太陽能電池、微型燃料電池等)、高清顯示、微流控器件、微納光學(xué)器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、可穿戴電子、嵌入式電子、光電子和柔性電子等眾多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜三維微納米結(jié)構(gòu)有著巨大的產(chǎn)業(yè)需求。然而，現(xiàn)有的各種微納制造技術(shù)無論從技術(shù)層面還是在生產(chǎn)率、成本、材料等方面均難以滿足高效、低成本批量化制造復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的工業(yè)化應(yīng)用的需求，例如從技術(shù)層面，現(xiàn)有的諸如光學(xué)光刻、電子束光刻、干涉光刻、激光微細加工、軟光刻、納米壓印光刻等微納制造技術(shù)主要實現(xiàn)2D或者2.5D微納結(jié)構(gòu)(簡單幾何圖形)制造，難以實現(xiàn)復(fù)雜真三維微納結(jié)構(gòu)的制造；此外，現(xiàn)有的這些微納制造方法還面臨設(shè)備和掩模(或者模具)昂貴、制造成本高、周期長、可用材料種類少等問題。微納尺度3D打印對于以上難題提供了一種全新的解決方案，并且已經(jīng)顯示了巨大的工業(yè)化應(yīng)用前景。

微納尺度3D打印(亦稱為微納增材制造)是一種基于增材原理制造微納結(jié)構(gòu)或者功能性產(chǎn)品(具有微納特征)的新型微納加工技術(shù)，與現(xiàn)有微納制造技術(shù)相比，它具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可用材料種類多、無需掩?；蚰＞?、直接成形的優(yōu)點，尤其是在復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)、復(fù)合(多材料)材料微納結(jié)構(gòu)、宏/微復(fù)合結(jié)構(gòu)以及嵌入異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造方面具有非常突出的潛能和優(yōu)勢。微納尺度3D打印目前已經(jīng)被用于航空航天、組織工程、生物醫(yī)療、微納機電系統(tǒng)、新材料(超材料、輕量化材料、智能材料、復(fù)合材料)、新能源(燃料電池、太陽能等)、柔性電子、印刷電子、微納光學(xué)器件、微流控器件等眾多領(lǐng)域和行業(yè)

但是，現(xiàn)有的各種微納尺度3D打印工藝面臨一些不足和一定的局限性。例如微立體光刻打印材料單一，分辨率較低，尤其對于必須支撐材料的結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)打印；雙光子聚合激光直寫分辨率雖然很高，但是打印材料和成形零件的尺寸受限，無法實現(xiàn)宏/微跨尺度制造，而且成本非常高。尤其是現(xiàn)有的微納3D打印還面臨支撐去除困難的問題。因此，迫切需要開發(fā)新型微納尺度3D技術(shù)、工藝、材料和裝備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種微納尺度3D打印機及方法，本發(fā)明基于電流體動力噴射打印(亦稱為電噴印)，打印多種功能性材料(導(dǎo)電材料、絕緣材料、高粘度材料、金屬材料等)，并結(jié)合采用離型材料和水溶性支撐材料，實現(xiàn)低成本、高效、高分辨率的宏/微/納跨尺度復(fù)雜真三維結(jié)構(gòu)打印，解決微納3D打印分辨率低、可打印材料種類少以及支撐去除困難等難題，尤其是解決了目前微納尺度3D打印技術(shù)在成本、材料、分辨率、宏/微跨尺度制造、去支撐等方面的不足和局限性。

本發(fā)明的一個目的是提供一種基于電噴印微納尺度3D打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)可用于多種材料微納結(jié)構(gòu)的高效、低成本、大面積制造。電噴印采用電場驅(qū)動以“拉”方式從液錐(泰勒錐)頂端產(chǎn)生極細的射流。其基本原理：在導(dǎo)電噴嘴(第一電極)和導(dǎo)電基板(第二電極)之間施加高壓脈沖電源，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以及穩(wěn)定的錐射流，由于噴嘴具有較高的電勢，噴嘴處的流體會受到電致切應(yīng)力的作用，當(dāng)局部電荷力超過液體表面張力后，帶電流體從噴嘴處噴射，形成極細的射流(由于是從尖端發(fā)射出的射流，射流直徑遠小于噴嘴直徑，因此形成微液滴尺寸遠遠小于噴嘴尺寸，通常比噴嘴尺寸小1-2個數(shù)量級)，微液滴噴射沉積在打印床之上，并通過熱/光等予以固化。

本發(fā)明基于提供的電噴印微納尺度3D打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)可打印材料范圍廣泛，不受材料粘度、介電性能等因素影響。實現(xiàn)了從無機材料到有機材料，從絕緣材料到導(dǎo)電材料，從溶液到懸濁液等多種材料三維結(jié)構(gòu)的高分辨率打印，打破了現(xiàn)有微尺度3D打印技術(shù)打印材料種類受限的瓶頸。此外，打印材料的粘度幾乎不受限制。

本發(fā)明基于提供的電噴印微納尺度3D打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的跨尺度制造，僅通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)(電壓、噴嘴與基材距離、噴射頻率、工作臺移動速度等)，便可在同一打印噴頭下實現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的宏尺度、微尺度乃至納尺度的跨尺度高分辨率打印。

本發(fā)明的再一個目的為提供一種電噴印微納尺度3D打印方法，在微結(jié)構(gòu)或者電子產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中容易去除支撐。采用在支撐結(jié)構(gòu)和模型結(jié)構(gòu)之間打印離型材料的方法，并采用水溶性支撐材料(如PVA等)，實現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)的有效簡單剝離，大大簡化了后處理過程，獲得的產(chǎn)品表面品質(zhì)好，更適用于制造必須使用支撐結(jié)構(gòu)的微零件或微結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種微納尺度3D打印機，包括噴頭組、打印床、控制器和三維運動機構(gòu)，其中，所述噴頭組包括多個噴頭，每個噴頭在導(dǎo)電噴嘴和導(dǎo)電基板之間施加高壓脈沖電源，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以及穩(wěn)定的錐射流，所述控制器控制三維運動機構(gòu)動作，使其帶動噴頭組與打印床發(fā)生相對運動，同時控制各個噴頭的動作，對打印床上基材的設(shè)定位置進行微液滴噴印，依次打印模型材料、離型材料與支撐材料，所述離型材料是低表面能材料，所述支撐材料為水溶性材料。

通過順序打印，在模型材料與支撐材料之間打印離型材料，結(jié)合使用水溶性支撐材料，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)或者電子產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中支撐結(jié)構(gòu)的有效簡單剝離，能夠提高獲得的產(chǎn)品表面品質(zhì)，更適用于制造必須使用支撐結(jié)構(gòu)的微零件或微結(jié)構(gòu)。

所述三維運動機構(gòu)，包括X、Y和Z三個方向的運動機構(gòu)，所述X、Y方向運動機構(gòu)承載打印床，所述Z方向的運動機構(gòu)上設(shè)置噴頭組。

當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在本發(fā)明的工作原理的基礎(chǔ)上，利用其它三維運動機構(gòu)進行替換，如三維工作機床、多自由度機器臂等，均屬于簡單替換，為不需要付出創(chuàng)造性的勞動，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。

同時，將打印床或噴頭組相對于三維運動機構(gòu)的位置進行簡單的組合或替換，均屬于簡單替換，為不需要付出創(chuàng)造性的勞動，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。

所述打印床上設(shè)置有承片臺和基材，承片臺固定在工作臺上方，承片臺設(shè)置導(dǎo)電層或?qū)щ姴牧希龌奈挥诔衅_上方，基材通過真空吸附固定在承片臺上。

所述基材可為絕緣材料、半導(dǎo)體材料或者導(dǎo)電材料，基材表面可依據(jù)打印材料特性進行表面處理。

所述基材的固定方法可替換為其他方式。

所述3D打印機還設(shè)置有光固化裝置，安裝在打印噴頭的附近，曝光光源照射到打印材料沉積在基材上的區(qū)域，實現(xiàn)光固化打印材料的快速固化。

所述3D打印機還設(shè)置有視頻采集裝置，視頻采集裝置安裝在工作臺一側(cè)，監(jiān)控整個電噴印過程和圖形打印過程。

當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思可在3D打印機上設(shè)置有其它外設(shè)裝置，以更加完善3D打印過程或效果，或?qū)ΜF(xiàn)有的外設(shè)裝置進行組成結(jié)構(gòu)、放置位置等方面的簡單變換和組合即可得到的方案，無需付出任何創(chuàng)造性勞動即能想到。

模型材料為液態(tài)有機高分子材料和無機材料，有機高分子類包括聚合物、光敏樹脂，水凝膠、PC等；無機類包括納米金屬材料、納米陶瓷材料等。支撐材料為水溶性高分子材料(如PVA等)。離型材料為液態(tài)低表面能材料，包括含氟聚合物和有機硅聚合物。

當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的上述啟示下，能夠?qū)⑸鲜霾牧线M行簡單替換，屬于不需要付出創(chuàng)造性的勞動。

所述噴頭組包括第一打印噴頭、第二噴頭和第三噴頭，分別打印模型材料、支撐材料、離型材料。

優(yōu)選的，所述第一噴頭、第二噴頭和第三噴頭各由兩部分構(gòu)成，一部分是儲存打印材料的針筒，一部分是連在針筒下方的導(dǎo)電噴嘴。

所述噴頭組的噴頭的導(dǎo)電噴嘴連接高壓電源正極，高壓電源負極與基材相連。

所述噴頭組的噴頭通過壓力管路連接有氣動系統(tǒng)，噴頭進氣口與壓力管路連接，保證材料能夠持續(xù)從噴嘴打出。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電噴嘴為金屬噴嘴或內(nèi)壁涂敷導(dǎo)電材料，導(dǎo)電噴嘴的內(nèi)徑為0.1-500μm。

優(yōu)選的，所述微尺度3D打印機的打印工藝參數(shù)，外加電壓范圍0-4000v，氣壓0-20psi，脈沖頻率0-3000Hz，打印速度0-300mm/s，噴嘴和基材之間的工作距離為0-3mm。

一種微納尺度3D打印方法，在噴頭的噴嘴和基板之間形成強電場力，強電場力將流體從噴嘴口拉出形成泰勒錐以及穩(wěn)定的錐射流，對打印床上的基材設(shè)定位置的微液滴噴印，噴印過程為順序打印，依次打印模型材料、離型材料與水溶性支撐材料。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜真三維結(jié)構(gòu)的高分辨率、低成本、多材料生產(chǎn)制造。

(2)本發(fā)明僅調(diào)整打印工藝參數(shù)，便能在同一尺寸打印噴頭下實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的多尺度變化，實現(xiàn)宏/微/納結(jié)構(gòu)的跨尺度制造。

(3)本發(fā)明結(jié)合離型材料和水溶性支撐材料實現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)的有效簡單去除，保證了打印零件的制造精度，適合復(fù)雜三維微納特征結(jié)構(gòu)的制造。

(4)本發(fā)明可供打印材料范圍廣，粘度幾乎不受限制。從無機材料到有機材料，從絕緣材料到導(dǎo)電材料，從低粘度材料到高粘度材料等，以及生物材料、金屬納米粒子等各種材料的打印。

(5)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、打印效率高等突出優(yōu)點，易于實現(xiàn)大面積復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的微尺度3D打印機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2的微尺度3D打印機的結(jié)構(gòu)立體圖；

其中，1底座，2x-y工作臺，3承片臺，4第一噴頭，5第二噴頭，6第三噴頭，7z向工作臺，8針筒，9導(dǎo)電噴嘴，10基材，11高壓電源，12紫外固化光源，13機架，14壓力管路，15攝像頭，16加熱墊。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：

如圖1所示，微納尺度3D打印機，它包括：底座1、x-y工作臺2、承片臺3、第一噴頭4、第二噴頭5、第三噴頭6、z向工作臺7、針筒8、導(dǎo)電噴嘴9、基材10、高壓電源11、機架13、壓力管路14、攝像頭15，加熱墊16。其中底座1置于最下方；x-y工作臺2置于底座1上；打印床3固定在x-y工作臺2上；第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6分別置于承片臺3正上方，并與z向工作臺7相連接；z向工作臺7固定在機架13的橫梁1301上；機架13固定在底座1上；第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6分別設(shè)置進氣口，進氣口均與壓力管路14通過軟管相連。第一噴頭4最下部導(dǎo)電噴嘴901與基材10之間設(shè)置高壓電源5，其中導(dǎo)電噴嘴901與高壓電源11的正極連接，基材10與高壓電源11的負極連接。第二噴頭5下部的導(dǎo)電噴嘴902與高壓電源11的正極連接，第三噴頭6下部的導(dǎo)電噴嘴903也與高壓電源11的正極連接。加熱墊16置于承片臺3下方，x-y工作臺2上方。

所述x-y工作臺2為二維精密位移臺，采用LS-180線性位移臺，工作行程150mm，雙向重復(fù)定位精度±0.1μm。實現(xiàn)基材10在x-y方向的移動，并與第一噴頭4、第二噴頭5、第三噴頭6沿著z向上下運動相配合，完成每一層結(jié)構(gòu)的制造。

所述z向工作臺7為一維高精密位移臺。采用PI公司的M-501超精密z軸位移臺，重復(fù)精度0.1μm。z向工作臺7帶動第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6沿z向上下運動。

所述加熱墊16為硅橡膠加熱墊，承片臺3為不銹鋼板，基材10為硅片，通過銅箔紙固定在承片臺3上。

所述第一噴頭4、第二噴頭5、第三噴頭6進氣口進氣壓力為0-10ps i。

所述高壓電源11采用高壓脈沖電源，輸出脈沖電壓0-4KV連續(xù)可調(diào)，輸出脈沖頻率10Hz-1500Hz，輸出波形為方形。

所述第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6包括針筒8和導(dǎo)電噴嘴9，針筒中分別存儲模型材料、支撐材料、離型材料。

所述模型材料為環(huán)氧樹脂，支撐材料為PVA，離型材料為聚二甲基硅氧烷乳液。

實施例2：

如圖2所示，微納尺度3D打印機包括：底座1、x-y工作臺2、承片臺3、第一噴頭4、第二噴頭5、第三噴頭6、z向工作臺7、針筒8、導(dǎo)電噴嘴9、基材10、高壓電源11、紫外固化光源12，機架13、壓力管路14、攝像頭15。其中底座1置于最下方；x-y工作臺2置于底座1上；打印床3固定在x-y工作臺2上；第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6分別置于承片臺3正上方，并與z向工作臺7相連接；z向工作臺7固定在機架13的橫梁1301上；機架13固定在底座1上；第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6分別設(shè)置進氣口，進氣口均與壓力管路14通過軟管相連。第一噴頭4最下部導(dǎo)電噴嘴901與基材10之間設(shè)置高壓電源5，其中導(dǎo)電噴嘴901與高壓電源11的正極連接，基材10與高壓電源11的負極連接。第二噴頭5下部的導(dǎo)電噴嘴902與高壓電源11的正極連接，第三噴頭6下部的導(dǎo)電噴嘴903也與高壓電源11的正極連接。紫外固化光源12分別固定在第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6附近。

所述x-y工作臺2為二維精密位移臺，采用LS-180線性位移臺，工作行程150mm，雙向重復(fù)定位精度±0.1μm。

所述z向工作臺7為一維高精密位移臺。采用PI公司的M-501超精密z軸位移臺，重復(fù)精度0.1μm。z向工作臺7帶動第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6沿z向上下運動。

所述第一噴頭4、第二噴頭5、第三噴頭6進氣口進氣壓力為0-10ps i。

所述高壓電源11采用高壓脈沖電源，輸出脈沖電壓0-4KV連續(xù)可調(diào)，輸出脈沖頻率10Hz-1500Hz，輸出波形為方形。

所述第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6包括針筒8和導(dǎo)電噴嘴9，針筒中分別存儲模型材料、支撐材料、離型材料。

所述模型材料光敏樹脂，支撐材料為PVA，離型材料為聚四氟乙烯乳液。

在第一噴頭4、第二噴頭5和第三噴頭6的導(dǎo)電噴嘴附近設(shè)置攝像頭15，實現(xiàn)噴嘴與基板距離的精確對準，同時監(jiān)控整個電噴印過程。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。