[發明專利]一種單平板電極電場驅動噴射沉積微納3D打印裝置

有效

• 申請號: 202110077311.8
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112917893B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 蘭紅波;曹輝;張廣明;朱曉陽;楊建軍;賀健康;李滌塵;于志浩;許權;趙佳偉
• 申請（專利權）人: 青島理工大學;青島五維智造科技有限公司
• 主分類號: B29C64/106
• 分類號: B29C64/106;B29C64/20;B29C64/329;C12M1/00;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 祖之強

本公開屬于3D打印和微納制造技術領域，提供了一種單平板電極電場驅動噴射沉積微納3D打印裝置，其包括打印噴頭、任意材質的打印噴嘴、任意材質的打印基材、平板電極、打印平臺、高壓電源、供料模塊、精密背壓控制模塊、XYZ三軸精密運動平臺、正壓氣路系統、觀測定位模塊、UV固化模塊、激光測距儀、底座、連接架、第一可調支架、第二可調支架、第三可調支架；只需將平板電極與高壓電源正極(負極)連接，無需接地的對電極。它實現了噴嘴(導電和非導電)、基材(導電和非導電)以及打印材料(導電和非導電)任意組合穩定高分辨打印，以及多材料宏/微/納結構跨尺度制造，具有結構簡單、成本低、普適性好的顯著優勢。

技術領域

本公開涉及3D打印和微納制造技術領域，特別涉及一種單平板電極電場驅動噴射沉積微納3D打印裝置。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術，并不必然構成現有技術。

微納尺度3D打印是一種基于增材制造原理制備微納結構或者包含微納特征結構功能性產品的新型加工技術。與現有微納制造技術相比，微納3D打印具有生產成本低、工藝簡單、可供打印材料和適合基板種類廣泛、無需掩?；蚰＞?、直接成形、工藝柔性和適應性好的優點，尤其是它在復雜三維微納結構、大高寬比微納結構和復合(多材料)材料微納結構以及宏微跨尺度結構制造、非平整襯底/柔性襯底/曲面和3D表面的微納圖形化方面具有非常突出的優勢和廣泛的工業化應用前景。微納3D打印已經被應用于微電子、光電子、柔性電子、高清柔性顯示、生物醫療、組織工程、新材料、新能源、航空航天、可穿戴設備等諸多領域。微納尺度3D打印已經被美國麻省理工學院的《技術評論》列為2014年十大具有顛覆性的新興技術。

經過近十年的發展，目前已經提出的微納尺度3D打印工藝有十多種，主要包括：微立體光刻、雙光子聚合3D激光直寫、電流體動力噴射打印(電噴印)、氣溶膠噴射打印、微激光燒結、電化學沉積、微三維打印(粘結劑噴射)、復合微納3D打印等。與現有的其它微納3D打印技術相比，近年出現并快速發展的電流體動力噴射打印(Electrohydrodynamic JetPrinting，電噴印)技術在分辨率、打印材料、設備成本等方面具有突出的優勢。然而，由于受到電噴印技術自身工作原理的限制(導電噴嘴和導電襯底組成的電極對，隨著打印逐層累加，打印高度不斷發生變化，導致電場力不斷發生變化，打印過程穩定性差，超過一定高度，無法實現打印等)，其在打印材料、噴嘴、接收襯底、成形件高度、打印穩定性等方面還存在諸多的不足和局限性，難以實現宏/微尺度結構一體化打印(噴嘴與基材的高度一般被限定在3毫米以內)，尤其是無法實現導電噴嘴使用導電材料在導電基材上的穩定打印(導電噴嘴、導電材料、導電襯底在連續錐射流噴射條件存在放電、擊穿等現象)，限制了其在實際工程的許多應用。

針對以上不足和局限性，發明人已經公開了2項發明專利：1)一種集成噴頭電場驅動噴射微納3D打印裝置及其工作方法(申請號201810726142.4)；2)一種高精度電場驅動噴射沉積3D打印裝置及其工作方法(申請號201711408812.X)，其克服了傳統電噴印的一些不足和局限性。

但是，隨著發明人更深入研究發現，目前還有部分難題沒有被克服，主要問題諸如：

(1)現有技術還無法實現導電材料在導電基材上的高分辨率穩定打印。傳統電噴印與電場驅動噴射微納3D打印在打印高粘度導電材料時，導電噴嘴、導電材料、導電襯底在連續錐射流噴射條件存在放電甚至短路、擊穿等現象，無法實現高分辨率打印的穩定性和連續性；

(2)現有的電噴印與電場驅動噴射微納3D打印都是在噴嘴直接連接高壓電源，高電壓將導致生物材料或者生物細胞失去生物活性，因此，現有技術無法實現生物材料或者生物細胞高分辨率打印，在生物制造和細胞3D打印等方面受到很大的限制；