本發(fā)明涉及增材制造和3d打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

材料噴射沉積3d打印是基于微滴噴射原理選擇性沉積成形材料的一種增材制造方法，目前國(guó)際上已經(jīng)提出多種材料噴射沉積3d打印技術(shù)，主要包括噴墨(熱泡或者壓電)打印、氣溶膠噴射(aerosoljet)、聚合物噴射(polyjet)、納米顆粒噴射技術(shù)(nanoparticlejetting)等。但是，這些傳統(tǒng)材料噴射沉積成形材料受限，通常要求打印材料的粘度較低(通常小于100cp)，可供打印材料種類有限，打印分辨率不高，目前還難以實(shí)現(xiàn)亞微尺度分辨率的打印(傳統(tǒng)噴墨打印圖形的最小線寬一般大于20微米)，尤其是還難以實(shí)現(xiàn)宏/微跨尺度制造，以及難以實(shí)現(xiàn)多材料多尺度一體化3d打印。在異質(zhì)材料多層次復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

電流體動(dòng)力噴射打印(electrohydrodynamicjetprinting，e-jetprinting)亦稱為電噴印，是近年由park和rogers等提出和發(fā)展的一種基于電流體動(dòng)力學(xué)(ehd)的微液滴噴射成形沉積技術(shù)。與傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)(熱噴印、壓電噴印等)采用“推”方式不同，電流體動(dòng)力噴射打印采用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以“拉”方式從液錐(泰勒錐)頂端產(chǎn)生極細(xì)的射流。其基本原理是在導(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(qiáng)電場(chǎng)力將流體從噴嘴口拉出形成泰勒錐，由于噴嘴具有較高的電勢(shì)，噴嘴處的流體會(huì)受到電致切應(yīng)力的作用，當(dāng)局部電荷斥力超過(guò)液體表面張力后，帶電流體從噴嘴處噴射，形成極細(xì)的射流(由于是從尖端發(fā)射出的射流，射流直徑遠(yuǎn)小于噴嘴直徑，因此形成微液滴尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于噴嘴尺寸，通常比噴嘴尺寸小1-2個(gè)數(shù)量級(jí))，微液滴噴射沉積在打印床之上，并通過(guò)熱/光等予以固化，逐層疊加制造實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的低沉本制造。電流體動(dòng)力噴射打印的分辨率不受噴嘴尺寸的限制，能在噴嘴不易堵塞的前提下，實(shí)現(xiàn)亞微米、納米尺度分辨率微納結(jié)構(gòu)的制造，而且可供打印的材料種類廣泛，以及能夠?qū)崿F(xiàn)高粘度材料的打印，打印材料的種類有了很大的拓展。該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于柔性電子、生物醫(yī)療、組織工程、光電子、微納光學(xué)、復(fù)合材料、高清顯示等諸多領(lǐng)域，顯示了較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

與其它材料噴射沉積3d打印技術(shù)相比，盡管電流體動(dòng)力噴射3d打印在諸多方面具有非常顯著和突出的優(yōu)勢(shì)。但是，由于電流體動(dòng)力噴射3d打印仍然存在諸多的不足和局限性，面臨著一些難以解決的問(wèn)題，主要包括：(1)噴嘴材料受限，電噴印要求噴嘴具有導(dǎo)電性(其作為第一電極)，無(wú)法使用非導(dǎo)電噴嘴；(2)接收襯底(基材)材料受限，接收襯底(基材)作為第二電極，通常要求襯底具有導(dǎo)電性，在非導(dǎo)電襯底上打印時(shí)面臨諸多限制，需要一些特殊處理；(3)成形件(打印件)打印高度受限制，由于導(dǎo)電噴嘴與導(dǎo)電襯底之間距離的限制，電噴印打印的高度一般限定在3毫米以下，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸零件和宏/微跨尺度結(jié)構(gòu)的制造。這是因?yàn)殡妵娪⌒纬煞€(wěn)定錐射流的電場(chǎng)力會(huì)隨著導(dǎo)電襯底和導(dǎo)電噴頭之間的距離增大而減弱，當(dāng)超過(guò)一定高度(～3mm)后，電場(chǎng)力不足以維持穩(wěn)定錐射流的產(chǎn)生，無(wú)法實(shí)現(xiàn)繼續(xù)打印。同時(shí)隨著打印高度不斷提升和變化，需要不斷調(diào)整參數(shù)來(lái)提高電場(chǎng)力以保證穩(wěn)定錐射流來(lái)實(shí)現(xiàn)打印，這在實(shí)際打印過(guò)程中是難以實(shí)現(xiàn)的，因此電噴印無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)宏/微跨尺度制造；(4)打印材料受限，電噴印工作過(guò)程中導(dǎo)電噴嘴上需要施加很高的高壓，某些細(xì)胞或者生物活性組織材料的打印受限。此外，一些金屬材料或者導(dǎo)電性非常好的材料打印過(guò)程中容易產(chǎn)生短路放電現(xiàn)象，打印過(guò)程穩(wěn)定性差，因此，電噴印在生物材料和金屬材料打印方面面臨很大的限制；(5)打印穩(wěn)定性差。如果打印材料導(dǎo)電性較好(或者為金屬材料)，由于距離導(dǎo)電襯底距離很近，容易短路和火花放電，無(wú)法繼續(xù)打印。此外，非導(dǎo)電材料打印到導(dǎo)電襯底上，將引起電場(chǎng)的變化，影響打印精度和穩(wěn)定性；(6)對(duì)于襯底的形貌和平整度要求高，為保證電場(chǎng)穩(wěn)定，電噴印通常只能在水平導(dǎo)電襯底上方一定高度內(nèi)進(jìn)行，既無(wú)法在已有實(shí)物(超過(guò)3mm)表面打印，也無(wú)法在非平整、曲面等襯底上打印，限制了在許多方面的應(yīng)用；(7)打印宏尺度結(jié)構(gòu)和大尺寸零件時(shí)，效率低。因此，電流體動(dòng)力噴射3d打印在打印材料、噴嘴、接收襯底、成形件高度、打印穩(wěn)定性、共性打印能力等方面存在諸多問(wèn)題和限制，尤其是難以實(shí)現(xiàn)宏微尺度結(jié)構(gòu)一體化打印，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)多材料多尺度3d打印。

因此，現(xiàn)有材料噴射沉積3d打印技術(shù)在打印材料、分辨率、接收襯底(基材)等存在諸多的不足和局限性，尤其是現(xiàn)有的工藝都還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多尺度多材料一體化3d打印，這些問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了這些技術(shù)性能的提高，以及更廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。亟待需要開(kāi)發(fā)新型材料噴射沉積3d打印技術(shù)，提高材料噴射沉積3d打印技術(shù)的打印精度、穩(wěn)定性和工藝普適性(打印材料、接收襯底等)，尤其是實(shí)現(xiàn)多材料多尺度3d打印，解決多材料跨尺度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)低成本制造的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置，突破了現(xiàn)有材料噴射沉積3d打印在打印材料、接收襯底、分辨率等方面的限制，尤其是結(jié)合多噴頭技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度多材料結(jié)構(gòu)一體化3d打印。

本發(fā)明具體的實(shí)現(xiàn)方案：(1)采用一種新的電場(chǎng)生成方式，即提取電極作為電場(chǎng)正極與高壓脈沖電源正極相連，不再需要接地的對(duì)電極。無(wú)論接收襯底是何種材質(zhì)，當(dāng)提取電極靠近接收襯底時(shí)，都會(huì)使襯底表面帶負(fù)電荷，提取電極與接收襯底之間形成穩(wěn)定電場(chǎng)，接收襯底材質(zhì)不受限制。(2)通過(guò)引入提取電極作為電場(chǎng)正極，在提取電極和接收襯底間形成電場(chǎng)，合理控制打印層厚使提取電極與接收襯底或已打印實(shí)體距離恒定，確保兩者之間形成穩(wěn)定的電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的打印。并且電場(chǎng)力不會(huì)隨打印高度的提高而改變，克服電噴印等工藝導(dǎo)電襯底作為負(fù)極接地時(shí)打印高度受限的問(wèn)題。(3)引入微尺度和宏尺度兩種打印模式，同時(shí)兼顧打印精度和打印效率。微尺度打印模式下，采用較小的背壓和較大的電場(chǎng)力，通過(guò)噴嘴的液體流量較小，強(qiáng)電場(chǎng)力使泰勒錐內(nèi)部形成回流現(xiàn)象并為射流噴射提供足夠的動(dòng)能，微量液體突破泰勒錐形成射流，液體以極細(xì)的射流噴射沉積在接收襯底或已完成實(shí)體上；宏尺度打印模式下，采用較大的背壓和較小的電場(chǎng)力，通過(guò)噴嘴的液體流量較大，較小的電場(chǎng)力無(wú)法維持大量液體在泰勒錐內(nèi)部形成需要的回流，導(dǎo)致較大的液滴流被電場(chǎng)力拉出，被打印材料以較粗的線寬和較大厚度在接收襯底或已完成實(shí)體上沉積。

進(jìn)一步的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置，包括二維工作臺(tái)，二維工作臺(tái)上設(shè)置打印平臺(tái)，接收襯底吸附設(shè)置于打印平臺(tái)上，所述接收襯底上方對(duì)應(yīng)設(shè)置噴射單元，所述噴射單元與z向工作臺(tái)連接；

所述噴射單元包括電場(chǎng)生成電極和打印噴頭，所述打印噴頭設(shè)置于電場(chǎng)生成電極所形成的電場(chǎng)區(qū)域；

所述電場(chǎng)生成電極與高壓脈沖電源正極連接，所述打印噴頭包括相互連接的噴嘴和儲(chǔ)料筒，所述儲(chǔ)料筒分別與背壓控制單元、打印材料供給單元連接。

進(jìn)一步的，所述電場(chǎng)生成電極為提取電極，所述提取電極中部設(shè)置通孔；所述噴嘴穿過(guò)通孔設(shè)置。提取電極采用平板電極，用于形成噴射所需電場(chǎng)，提取電極的材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，優(yōu)先選用紫銅、鋁、銀等。提取電極的形狀是圓形或者方形或者其他形狀。

所述高壓脈沖電源的輸出脈沖電壓范圍為0-10kv，輸出脈沖頻率范圍為0-5000hz。優(yōu)先選用直流高壓電源和高壓脈沖電源組合的方案，其中直流高壓電源的電壓范圍為0-7kv，高壓脈沖電源的電壓范圍為0-3kv。

進(jìn)一步的，所述噴嘴中心和通孔中心同心。保證噴嘴處于提取電極所產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述背壓控制單元包括精密調(diào)壓閥，精密調(diào)壓閥一端與儲(chǔ)料筒連接，精密調(diào)壓閥另一端與壓縮空氣源連通。

進(jìn)一步的，所述打印材料供給單元包括精密注射泵，精密注射泵與儲(chǔ)料筒連接。

進(jìn)一步的，所述z向工作臺(tái)上還固定有uv固化組件，所述uv固化組件對(duì)應(yīng)設(shè)置于噴嘴一側(cè)。當(dāng)打印材料為光固化材料時(shí)，設(shè)置的uv固化組件可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)打印材料快速固化。

進(jìn)一步的，所述打印平臺(tái)內(nèi)設(shè)置電加熱裝置。當(dāng)打印材料為熱固化材料時(shí)，設(shè)置的電加熱裝置可以通過(guò)對(duì)打印材料進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)液態(tài)打印材料快速固化。

優(yōu)選的，所述噴射單元設(shè)置有三個(gè)，每一噴射單元的打印噴頭均與一打印材料供給單元連接。每一噴射單元設(shè)置不同的打印材料，可以實(shí)現(xiàn)多材料多尺度結(jié)構(gòu)一體化打印。

上述電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置的工作原理為：壓縮空氣經(jīng)精密調(diào)壓閥調(diào)壓后推送儲(chǔ)料筒中的液體達(dá)到噴嘴位置，由于在提取電極上施加脈沖高壓電，提取電極與接收襯底或者已完成實(shí)體之間形成電場(chǎng)，誘導(dǎo)電荷在噴嘴處聚集并相互排斥，強(qiáng)電場(chǎng)力使噴嘴處液體形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力與氣體背壓之和大于表面張力和黏度力之和，液滴自泰勒錐尖端噴射而出。結(jié)合x(chóng)-y工作臺(tái)按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，噴射的液體固化沉積在接收襯底上，形成零件的截面輪廓。零件的一層截面成形完成后，打印噴頭上升一個(gè)截面的高度，以已完成實(shí)體表面為目標(biāo)打印位置再進(jìn)行下一層截面的沉積，如此循環(huán)，最終形成三維實(shí)體。打印過(guò)程中，打印材料供給單元及時(shí)補(bǔ)充消耗的打印材料。

一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置的工作方法，包括以下步驟：

步驟1：打印初始化，將二維工作臺(tái)和z向工作臺(tái)移動(dòng)至打印工位，使打印噴頭距接收襯底設(shè)定距離，調(diào)節(jié)電場(chǎng)生成電極與噴嘴下端的距離；

步驟2：開(kāi)始打印工作，電場(chǎng)生成電極和接收襯底之間形成電場(chǎng)，在背壓控制單元作用下，打印材料流至噴嘴處形成泰勒錐，進(jìn)而噴射至接收襯底表面，二維工作臺(tái)按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，完成一層的打印過(guò)程；

步驟3：重復(fù)步驟2，直至完成所有層的打印過(guò)程，打印出成形零件；

步驟4：打印完成，將二維工作臺(tái)和z向工作臺(tái)移動(dòng)至原始工位，取下接收襯底和成形零件。

由于本發(fā)明打印材料沒(méi)有限制，包括諸如溶液、熔體、懸浮液、膠體等；有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、導(dǎo)電材料、非導(dǎo)電材料、生物材料材料、高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等。利用本發(fā)明電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置及其工作方法，并結(jié)合使用多個(gè)打印噴頭，每個(gè)打印噴頭內(nèi)放置不同的打印材料，諸如成形件結(jié)構(gòu)材料、支撐材料、導(dǎo)電材料、功能材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)多材料多尺度3d打印。實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)-材料-性能-器件”一體化制造。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)噴嘴材料沒(méi)有限制，適用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電噴嘴，克服電噴印3d打印必須使用導(dǎo)電噴嘴的限制。尤其是能夠使用陶瓷等耐高溫噴嘴，實(shí)現(xiàn)金屬等材料的打印。

(2)接收襯底材料沒(méi)有限制，適用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電(甚至絕緣)襯底，克服電噴印3d打印通常要求襯底具有導(dǎo)電的限制。

(3)可打印高度沒(méi)有限制。結(jié)合襯底材質(zhì)不受限制的優(yōu)勢(shì)，能夠在任意高度實(shí)體表面上打印。突破了電噴印3d打印成形件高度的限制(一般限定在3毫米以下)，真正能夠?qū)崿F(xiàn)宏/微跨尺度制造。

(4)打印材料廣泛，幾乎能夠轉(zhuǎn)化為“墨水”形式的材料都可以適用，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞和生物活性組織材料的打印?？朔穗妵娪?d打印導(dǎo)電噴嘴直接連接高壓電源，不適合活性生物材料的打印問(wèn)題。

(5)打印過(guò)程穩(wěn)定性和可靠性高。噴嘴處不接電，打印材料與正極不直接接觸，只通過(guò)極化作用產(chǎn)生少量電荷，降低帶電液滴積累對(duì)電場(chǎng)的影響，并且打印高導(dǎo)電性材料時(shí)不會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

(6)噴嘴位于電場(chǎng)生成電極下方，有利于縮短噴嘴與目標(biāo)襯底的距離，降低射流分散對(duì)打印精度的影響，并且能顯著減少衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，提高打印的精度和穩(wěn)定性。

(7)適用于非平整表面、曲面的打印，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)共形襯底的打印。

(8)打印精度高。微尺度打印模式下利用強(qiáng)電場(chǎng)力形成的極細(xì)錐射流進(jìn)行打印，可以實(shí)現(xiàn)微尺度甚至亞微尺度結(jié)構(gòu)的高分辨率制作。

(9)打印效率高。設(shè)置微尺度和宏尺度兩種打印模式，對(duì)于精度要求不高的結(jié)構(gòu)采用宏尺度打印模式，對(duì)于精度要求高的結(jié)構(gòu)采用微尺度打印模式，兼顧打印精度和打印效率。

(10)宏微跨尺度結(jié)構(gòu)一體化打印。既可用來(lái)制作宏尺度工件，也可用來(lái)制作微觀結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)3d打印技術(shù)打印精度跨度小的限制，實(shí)現(xiàn)同一打印模型上宏微跨尺度結(jié)構(gòu)一體化打印。

(11)噴射單元可移植性強(qiáng)，作為一獨(dú)立模塊可以移植到任何三軸工作臺(tái)上進(jìn)行打印。

(12)能夠?qū)崿F(xiàn)極高粘度材料的打印。

(13)操作簡(jiǎn)單，成本低。

(14)結(jié)合配置的多個(gè)噴頭，能夠?qū)崿F(xiàn)多材料多尺度一體化打印。

本發(fā)明可用于航空航天、微納機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療、組織器官、新材料(點(diǎn)陣材料、超材料、功能梯度材料、復(fù)合材料等)、3d功能結(jié)構(gòu)電子、可穿戴設(shè)備、新能源(燃料電池、太陽(yáng)能等)、高清顯示、微流控器件、微納光學(xué)器件、微納傳感器、印刷電子、可延展電子、軟體機(jī)器人等諸多領(lǐng)域和行業(yè)。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1電場(chǎng)生成結(jié)構(gòu)局部放大圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2基于uv固化的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例3結(jié)合多噴頭的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1x-y工作臺(tái)，2打印平臺(tái)，3接收襯底，4提取電極，401圓形通孔，5電極固定架，6噴嘴，7高壓脈沖電源，8z向工作臺(tái)，9噴頭固定架，10儲(chǔ)料筒，11精密調(diào)壓閥，1101第一端，1102第二端，12精密注射泵，13uv固化燈，14uv燈固定架，15機(jī)架，16精密注射泵ⅰ，17z向工作臺(tái)ⅰ，18噴射單元ⅰ，19精密注射泵ⅱ，20z向工作臺(tái)ⅱ，21噴射單元ⅱ，22精密注射泵ⅲ，23z向工作臺(tái)ⅲ，24噴射單元ⅲ。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，針對(duì)現(xiàn)有材料噴射沉積3d打印技術(shù)存在的不足和局限性，尤其是還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多尺度多材料3d打印，為了解決如上的技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置及其工作方法。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1-2所示，提供了一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置結(jié)構(gòu)示意圖，它包括：x-y工作臺(tái)1(即二維工作臺(tái))，打印平臺(tái)2，接收襯底3(基材或者基底)，提取電極4(即為電場(chǎng)生成電極)，電極固定架5，噴嘴6，高壓脈沖電源7，z向工作臺(tái)8，噴頭固定架9，儲(chǔ)料筒10，精密調(diào)壓閥11，精密注射泵12。其中噴嘴6和儲(chǔ)料筒10組成打印噴頭，提取電極4、電極固定架5、打印噴頭、噴頭固定架9組成噴射單元。打印平臺(tái)2置于x-y工作臺(tái)1之上；接收襯底3置于打印平臺(tái)2之上，并通過(guò)真空吸附或者電磁吸附等方式固定在打印平臺(tái)2上。噴射單元與z向工作臺(tái)8相連接，并置于打印平臺(tái)2的正上方。提取電極4通過(guò)電極固定架5安裝在噴頭固定架9上，并與高壓脈沖電源7的正極相連。噴嘴6安裝在儲(chǔ)料筒10下端并穿過(guò)提取電極4的中心圓形通孔401。打印噴頭通過(guò)噴頭固定架9安裝在z向工作臺(tái)8上。精密調(diào)壓閥11(背壓控制單元)第一端1101與壓縮空氣相連接，第二端1102與打印噴頭的儲(chǔ)料筒1001相連接。精密注射泵12(打印材料供給單元)與打印噴頭的儲(chǔ)料筒10相連接。

x-y工作臺(tái)1采用高速和高精度位移臺(tái)，優(yōu)先選用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案。x-y工作臺(tái)的移動(dòng)速度1-600mm/s，重復(fù)定位精度高不低于5微米。z向工作臺(tái)8是高精度z向位移臺(tái)，優(yōu)先選用高精度納米級(jí)壓電位移臺(tái)、超高精度伺服電機(jī)位移臺(tái)等，定位精度不低于0.5微米。本實(shí)施例中x-y工作臺(tái)1采用高精度直線滑臺(tái)，工作行程200毫米，重復(fù)定位精度不低于0.4微米；z向工作臺(tái)8采用高精度納米級(jí)壓電位移臺(tái)，定位精度為0.1微米。

固化單元用于液態(tài)打印材料的快速固化，針對(duì)不同類型打印材料選擇不同的固化裝置。當(dāng)打印材料為熱固化材料時(shí)，可在打印平臺(tái)上增加電加熱輔助裝置。電加熱裝置為電加熱棒或者電加熱片，電加熱裝置可以通過(guò)對(duì)打印材料進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)液態(tài)打印材料快速固化。本實(shí)施例中在打印平臺(tái)2內(nèi)包含電加熱片，加熱溫度范圍0-200攝氏度，通過(guò)對(duì)打印材料進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)打印材料快速固化。

接收襯底3可以根據(jù)需要選用任意材質(zhì)，例如鋁板、硅片、玻璃等。若要在已有實(shí)物表面進(jìn)行打印，可將實(shí)物固定于打印平臺(tái)上再打印。本實(shí)施例中接收襯底3為厚度10毫米平整的鋁板。尺寸120x120毫米。

提取電極4為平板型電極，其中心設(shè)置有圓形通孔401，提取電極4用于形成噴射所需電場(chǎng)，提取電極4的材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，優(yōu)先選用紫銅、鋁、銀等，本實(shí)施例中提取電極4的材料選用紫銅片。提取電極4的形狀是圓形或者方形或者其他形狀，中心設(shè)置有圓形通孔401，其外徑1-50毫米，中心圓形通孔的直徑0.1-10毫米，平板電極的厚度1-500微米。本實(shí)施例中，提取電極4的形狀是圓形，中心設(shè)置有圓形通孔401，其外徑20毫米，中心圓形401通孔直徑8毫米，平板電極的厚度200微米。

提取電極4通過(guò)電極固定架5安裝在噴頭固定架9上，提取電極4上下位置可調(diào)，使得打印噴頭的噴嘴穿過(guò)提取電極并伸出一定長(zhǎng)度(0.1-3mm)，保證噴嘴與提取電極同心。

提取電極4與高壓脈沖電源7正極相連。提取電極在打印過(guò)程中，保持與目標(biāo)打印位置距離恒定。打印第一層時(shí)，目標(biāo)打印位置為接收襯底，從第二層開(kāi)始以已完成實(shí)體表面為目標(biāo)打印位置。

噴嘴可以選用任意材質(zhì)，例如不銹鋼、塑料、陶瓷等，噴嘴內(nèi)徑尺寸1-1000微米，本實(shí)施例中噴嘴6采用不銹鋼針頭，規(guī)格為25g，其內(nèi)徑為0.26mm，外徑為0.5mm，安裝在儲(chǔ)料筒10最下端，儲(chǔ)料筒優(yōu)先選用具有加熱功能的儲(chǔ)料裝置。噴嘴6與提取電極4上的圓形通孔401同心，通過(guò)調(diào)整電極固定架5上下位置，使噴嘴6最下端穿過(guò)提取電極4并伸出2mm。

高壓脈沖電源7輸出脈沖電壓范圍為0-5kv，輸出脈沖頻率范圍為0-1000hz。

精密調(diào)壓閥11第一端1101與壓縮空氣相連接，第二端1102通過(guò)氣路與打印噴頭20的儲(chǔ)料筒10相連接，氣路上可設(shè)置開(kāi)關(guān)控制閥，精密調(diào)壓閥11調(diào)壓范圍為0-5bar。

精密注射泵12通過(guò)供料管路與打印噴頭的儲(chǔ)料筒10連接，在打印過(guò)程中向噴頭內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充打印材料。

本申請(qǐng)的另一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置的工作方法，具體工藝步驟如下：

步驟1：打印初始化，x-y工作臺(tái)、z向工作臺(tái)從原位移動(dòng)到打印工位，使固定在z向工作臺(tái)上打印噴頭噴嘴的最下端移動(dòng)到距離接收襯底的預(yù)先設(shè)置的高度，調(diào)節(jié)好提取電極到噴嘴最下端距離；根據(jù)所打印的材料、精度、零件尺寸等，設(shè)置好高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥、精密注射泵所需參數(shù)。

步驟2：開(kāi)啟高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥(背壓控制單元)、精密注射泵(打印材料供給單元)、固化單元。在背壓的作用下，儲(chǔ)料筒中的液體達(dá)到噴嘴位置，形成半月形的彎液面，在提取電極上施加脈沖高壓，提取電極與接收襯底之間形成電場(chǎng)，誘導(dǎo)電荷在噴嘴處聚集并相互排斥，強(qiáng)電場(chǎng)力使噴嘴處液體形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力與氣體背壓之和大于表面張力和黏度力之和，液滴自泰勒錐尖端噴射而出。結(jié)合x(chóng)-y工作臺(tái)按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，噴射的液體固化沉積在接收襯底上，形成零件的截面輪廓。

步驟3：零件的一層截面成形完成后，關(guān)閉高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、固化單元等，暫停噴射并通過(guò)z向工作臺(tái)控制打印噴頭上升一個(gè)截面的高度。開(kāi)啟高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、固化單元等，以第一層實(shí)體作為接收襯底,，結(jié)合x(chóng)-y工作臺(tái)按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，噴射的液體固化沉積在第一層實(shí)體上，打印完成零件的第二層截面輪廓。如此循環(huán)，直至完成所有層的打印，最終形成三維實(shí)體。打印過(guò)程中精密注射泵及時(shí)補(bǔ)充消耗的打印材料。

步驟4：關(guān)閉高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥、精密注射泵、固化單元等，x-y工作臺(tái)、z向工作臺(tái)回到原始工位，從打印平臺(tái)上取下接收襯底和成形零件。

由于本發(fā)明打印材料沒(méi)有限制，包括諸如溶液、熔體、懸浮液、膠體等；有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、導(dǎo)電材料、非導(dǎo)電材料、生物材料材料、高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等。利用本發(fā)明電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置及其工作方法，并結(jié)合使用多個(gè)打印噴頭，每個(gè)打印噴頭內(nèi)放置不同的打印材料，諸如成形件結(jié)構(gòu)材料、支撐材料、導(dǎo)電材料、功能材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)多材料多尺度3d打印。實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)-材料-性能-器件”一體化制造。

為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加清楚地了解本申請(qǐng)的技術(shù)方案，以下將結(jié)合具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本申請(qǐng)的技術(shù)方案。

選用液態(tài)熱固化材料聚二甲基硅氧烷(pdms)為打印材料，具體的打印工藝過(guò)程如下：

步驟1：打印初始化，x-y工作臺(tái)1、z向工作臺(tái)8從原位移動(dòng)到打印工位，使固定在z向工作臺(tái)8上打印噴頭噴嘴6的最下端移動(dòng)到距離接收襯底3的預(yù)先設(shè)置的高度，按設(shè)定調(diào)節(jié)提取電極4到噴嘴6最下端距離；根據(jù)所打印的材料、精度、零件尺寸等，設(shè)置好高壓脈沖電源7、精密調(diào)壓閥11、精密注射泵12所需參數(shù)，并開(kāi)啟打印平臺(tái)2加熱裝置。

步驟2：開(kāi)啟高壓脈沖電源7、精密調(diào)壓閥11、精密注射泵12。在背壓的作用下，儲(chǔ)料筒10中的液體自噴嘴6噴出，形成半月形的液面，在提取電極4上施加脈沖高壓，提取電極4與接收襯底3之間形成電場(chǎng)，誘導(dǎo)電荷在噴嘴6處聚集并相互排斥，強(qiáng)電場(chǎng)力使噴嘴6處液體形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力與氣體背壓之和大于表面張力和黏度力之和，液滴自泰勒錐尖端噴射而出。結(jié)合x(chóng)-y工作臺(tái)1按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，噴射的液體固化沉積在接收襯底3上，形成零件的截面輪廓。

步驟3：零件的一層截面成形完成后，關(guān)閉高壓脈沖電源7、精密調(diào)壓閥11、精密注射泵12，暫停噴射并通過(guò)z向工作臺(tái)8控制打印噴頭上升一個(gè)截面的高度。開(kāi)啟高壓脈沖電源7、精密調(diào)壓閥11、精密注射泵12，以第一層實(shí)體作為接收襯底，結(jié)合x(chóng)-y工作臺(tái)1按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，噴射的液體固化沉積在第一層實(shí)體上，打印完成零件的第二層截面輪廓。如此循環(huán)，直至完成所有層的打印，最終形成三維實(shí)體。打印過(guò)程中精密注射泵12及時(shí)補(bǔ)充消耗的打印材料。

步驟4：關(guān)閉高壓脈沖電源7、精密調(diào)壓閥11、精密注射泵12、打印平臺(tái)2加熱裝置等，x-y工作臺(tái)1、z向工作臺(tái)8回到原始工位，從打印平臺(tái)2上取下接收襯底3和成形零件。

本申請(qǐng)的另一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置，當(dāng)打印材料為光固化材料時(shí)，可在打印噴頭一側(cè)或者兩側(cè)安裝uv固化裝置；本實(shí)施例中在打印噴頭左側(cè)安裝uv固化裝置。uv固化裝置為紫外led模組或者紫外led燈珠，固定在噴頭固定架上，聚焦后的光斑照射目標(biāo)打印位置，實(shí)現(xiàn)液態(tài)打印材料快速固化。如圖3所示，uv固化燈13通過(guò)uv燈固定架14安裝在噴頭固定架9一側(cè)。uv固化燈13發(fā)出的聚焦光斑對(duì)準(zhǔn)所述噴嘴6正下方目標(biāo)打印位置，聚焦光斑大小為2mm，波長(zhǎng)與光固化材料固化所需波長(zhǎng)相同。打印過(guò)程中，打印噴頭與uv固化裝置位置固定不動(dòng)，聚焦光斑始終對(duì)準(zhǔn)液滴噴射沉積位置，從而使光固化材料快速固化。

本申請(qǐng)的另一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置，在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，結(jié)合多噴頭技術(shù)，將噴射單元的數(shù)量由一個(gè)擴(kuò)展為三個(gè)，分別對(duì)應(yīng)不同的打印材料，可以實(shí)現(xiàn)多材料多尺度結(jié)構(gòu)一體化打印。如圖4所示，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3d打印裝置主要包括：x-y工作臺(tái)1，打印平臺(tái)2，接收襯底3，高壓脈沖電源7，精密調(diào)壓閥11，機(jī)架15，精密注射泵ⅰ16，z向工作臺(tái)ⅰ17，噴射單元ⅰ18，精密注射泵ⅱ19，z向工作臺(tái)ⅱ20，噴射單元ⅱ21，精密注射泵ⅲ22，z向工作臺(tái)ⅲ23，噴射單元ⅲ24。裝置整體采用龍門架結(jié)構(gòu)，z向工作臺(tái)i17、z向工作臺(tái)ⅱ20、z向工作臺(tái)ⅲ23固定在機(jī)架15的橫梁上。每個(gè)噴射單元均由提取電極、電極固定架、打印噴頭、噴頭固定架組成。

噴射單元ⅰ18安裝在z向工作臺(tái)ⅰ17上，打印材料為聚二甲基硅氧烷(pdms)，通過(guò)精密注射泵ⅰ16向打印噴頭內(nèi)供給打印材料。

噴射單元ⅱ21安裝在z向工作臺(tái)ⅱ20上，打印材料為液態(tài)光敏樹(shù)脂，通過(guò)精密注射泵ⅱ19向打印噴頭內(nèi)供給打印材料。

噴射單元ⅲ24安裝在z向工作臺(tái)ⅲ23上。打印材料為導(dǎo)電銀漿，通過(guò)精密注射泵ⅲ22向打印噴頭內(nèi)供給打印材料。

由于不同材料的粘度、導(dǎo)電性、消耗量等均不相同，需預(yù)先設(shè)置好每種材料的打印參數(shù)，在切換打印噴頭的同時(shí)，調(diào)節(jié)高壓脈沖電源、精密調(diào)壓閥、精密注射泵等裝置參數(shù)使其適合該打印材料。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。