[发明专利]一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法

摘要

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，功能材料溶液以恒定流速送至喷针内，利用施加在喷针上的电场力将功能材料溶液剪切形成远小于喷针尺寸的微/纳米级稳定射流，并打印出微/纳结构，同时利用诱导电极产生的空间电场力调控此结构，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，最终得到复杂微/纳三维结构。本发明提出的一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法制造复杂微/纳三维结构，具有空间三维结构自由成型、打印分辨率高、成型速度快等优势，利用此方法得到的复杂微/纳三维结构，线宽可为几十纳米，打印制造出的复杂微/纳三维结构可广泛用于电子、信息、能源等领域。

主权项

1.一种电场诱导辅助电喷射的三维打印方法，其特征在于，所用的三维打印装置包括电喷射打印模块和电场诱导成型模块；电喷射打印模块将功能材料溶液以恒定流速送至喷针内，利用施加在喷针上的电场力将功能材料溶液剪切形成远小于喷针尺寸的微/纳米级稳定射流，并打印出微/纳结构；电场诱导成型模块利用诱导电极产生的空间电场力调控此结构，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，得到复杂微/纳三维结构；所述的电喷射打印模块包括精密注射泵(1)、精密注射器(2)、功能材料溶液(3)、导管(4)、喷针夹具(5)、喷针(6)、相机(7)、上位机(8)、运动控制器(9)、运动平台(10)、打印基板(11)、衬底(12)、微/纳结构(13)、高压电源控制器(16)和射流(17)；所述的精密注射器(2)固定于精密注射泵(1)上，通过导管(4)在精密注射泵(1)的推力下，精密注射器(2)内的功能材料液体3被输送至喷针(6)喷口处；所述的喷针夹具(5)固定在Z轴上用于夹持喷针(6)；所述的相机(7)将打印过程中的射流行为在上位机(8)的监控软件中实时呈现，根据反馈的射流行为及时调节打印参数，以保证打印稳定性；所述的运动控制器(9)接受上位机(8)中运动控制命令，包括打印结构运动路径、速度等；所述的运动平台(10)包含XYZ运动轴，实现XYZ三个方向运动，X轴固定在Y轴上方，两轴配合实现XY平面内运动，Z轴位于XY轴上方，实现垂直方向运动；所述的衬底(12)放置于打印基板(11)上，打印基板(11)与衬底(12)相对静止，配合Z轴方向的运动，在衬底(12)上打印微/纳结构(13)；所述的打印基板(11)接地；所述的高压电源控制器(16)向喷针(6)提供高电压，在喷针(6)和打印基板(11)之间存在电势差，形成电场力，功能材料溶液(3)在喷针(6)喷口处受电场力的作用被拖拽成远小于喷孔尺寸的微/纳米级稳定射流(17)，并在衬底(12)上不断打印，形成微/纳结构(13)；所述的喷针(6)通过Z轴的运动调节垂直高度；所述的电场诱导成型模块包括诱导电极和电极电源(18)；所述的诱导电极布置在衬底(12)上或衬底(12)周围，通过上位机(8)控制；电极电源(18)向诱导电极提供高压电，施加电压后的诱导电极产生空间分区电场，微/纳结构(13)受诱导电极电场力的作用，进而被诱导为复杂微/纳三维结构；具体步骤如下：1)电喷射打印微/纳米结构：含有功能材料溶液(3)的精密注射器(2)安置在精密注射泵(1)上，利用精密注射泵(1)的推压力，通过导管(4)将功能材料溶液(3)以一定的流速送至喷针(6)内，在打印过程中，精密注射泵(1)调节功能材料溶液(3)的流量；喷针夹具(5)安装在Z轴上，喷针(6)固定在喷针夹具(5)上，通过Z轴的上下运动，调节喷针(6)与衬底(12)间的垂直距离；高压电源控制器(16)向喷针(6)施加高电压，此时，在喷针(6)与打印基板(11)之间存在电场力，功能材料溶液(3)在电场力、机械力、液体表面张力的共同作用下在喷针(6)喷孔处形成远小于喷孔尺寸的微/纳米尺度射流，并在衬底(12)上形成微/纳结构(13)；2)电场诱导成型三维结构：电极电源(18)向诱导电极施加电压，并形成空间诱导电场，处在这个电场内的微/纳结构(13)受到电场力的作用，经过电场诱导、受力形变、冷却固化、三维成型，形成三维复杂结构；诱导电极与微/纳结构(13)在空间内存在一定的位置关系，微/纳结构(13)位于诱导电极形成的诱导电场内，微/纳结构(13)受到空间不同方位的电场力，经过诱导电极作用将微/纳结构(13)诱导为复杂微/纳三维结构。