本發明屬于增材制造和微納制造技術領域，具體涉及一種微納尺度3D打印機及方法。

背景技術：

微納機電系統、生物醫療、組織工程、新材料(超材料、輕量化材料、復合材料、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域對于復雜三維微納米結構有著巨大的產業需求。然而，現有的各種微納制造技術無論從技術層面還是在生產率、成本、材料等方面均難以滿足高效、低成本批量化制造復雜三維微納結構的工業化應用的需求，例如從技術層面，現有的諸如光學光刻、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主要實現2D或者2.5D微納結構(簡單幾何圖形)制造，難以實現復雜真三維微納結構的制造；此外，現有的這些微納制造方法還面臨設備和掩模(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，并且已經顯示了巨大的工業化應用前景。

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構或者功能性產品(具有微納特征)的新型微納加工技術，與現有微納制造技術相比，它具有成本低、結構簡單、可用材料種類多、無需掩?；蚰＞摺⒅苯映尚蔚膬烖c，尤其是在復雜三維微納結構、高深寬比微納結構、復合(多材料)材料微納結構、宏/微復合結構以及嵌入異質結構制造方面具有非常突出的潛能和優勢。微納尺度3D打印目前已經被用于航空航天、組織工程、生物醫療、微納機電系統、新材料(超材料、輕量化材料、智能材料、復合材料)、新能源(燃料電池、太陽能等)、柔性電子、印刷電子、微納光學器件、微流控器件等眾多領域和行業

但是，現有的各種微納尺度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構難以實現打??；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，無法實現宏/微跨尺度制造，而且成本非常高。尤其是現有的微納3D打印還面臨支撐去除困難的問題。因此，迫切需要開發新型微納尺度3D技術、工藝、材料和裝備。

技術實現要素：

本發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(導電材料、絕緣材料、高粘度材料、金屬材料等)，并結合采用離型材料和水溶性支撐材料，實現低成本、高效、高分辨率的宏/微/納跨尺度復雜真三維結構打印，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，能夠實現可用于多種材料微納結構的高效、低成本、大面積制造。電噴印采用電場驅動以“拉”方式從液錐(泰勒錐)頂端產生極細的射流。其基本原理：在導電噴嘴(第一電極)和導電基板(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力的作用，當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。

本發明基于提供的電噴印微納尺度3D打印機，能夠實現可打印材料范圍廣泛，不受材料粘度、介電性能等因素影響。實現了從無機材料到有機材料，從絕緣材料到導電材料，從溶液到懸濁液等多種材料三維結構的高分辨率打印，打破了現有微尺度3D打印技術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。

本發明基于提供的電噴印微納尺度3D打印機，能夠實現三維結構的跨尺度制造，僅通過調節工藝參數(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復雜三維結構的宏尺度、微尺度乃至納尺度的跨尺度高分辨率打印。

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

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

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，其中，所述噴頭組包括多個噴頭，每個噴頭在導電噴嘴和導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定的錐射流，所述控制器控制三維運動機構動作，使其帶動噴頭組與打印床發生相對運動，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，結合使用水溶性支撐材料，實現微結構或者電子產品生產的過程中支撐結構的有效簡單剝離，能夠提高獲得的產品表面品質，更適用于制造必須使用支撐結構的微零件或微結構。

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

當然，本領域技術人員能夠在本發明的工作原理的基礎上，利用其它三維運動機構進行替換，如三維工作機床、多自由度機器臂等，均屬于簡單替換，為不需要付出創造性的勞動，均應屬于本發明的保護范圍。

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，為不需要付出創造性的勞動，均應屬于本發明的保護范圍。

所述打印床上設置有承片臺和基材，承片臺固定在工作臺上方，承片臺設置導電層或導電材料，所述基材位于承片臺上方，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、半導體材料或者導電材料，基材表面可依據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域，實現光固化打印材料的快速固化。

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

當然，本領域技術人員根據本發明的構思可在3D打印機上設置有其它外設裝置，以更加完善3D打印過程或效果，或對現有的外設裝置進行組成結構、放置位置等方面的簡單變換和組合即可得到的方案，無需付出任何創造性勞動即能想到。

模型材料為液態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)。離型材料為液態低表面能材料，包括含氟聚合物和有機硅聚合物。

當然，本領域技術人員在本發明的上述啟示下，能夠將上述材料進行簡單替換，屬于不需要付出創造性的勞動。

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。

優選的，所述第一噴頭、第二噴頭和第三噴頭各由兩部分構成，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電噴嘴。

所述噴頭組的噴頭的導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，噴頭進氣口與壓力管路連接，保證材料能夠持續從噴嘴打出。

優選的，所述導電噴嘴為金屬噴嘴或內壁涂敷導電材料，導電噴嘴的內徑為0.1-500μm。

優選的，所述微尺度3D打印機的打印工藝參數，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定的錐射流，對打印床上的基材設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。

本發明的有益效果為：

(1)本發明能夠實現任意復雜真三維結構的高分辨率、低成本、多材料生產制造。

(2)本發明僅調整打印工藝參數，便能在同一尺寸打印噴頭下實現打印結構的多尺度變化，實現宏/微/納結構的跨尺度制造。

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

(4)本發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)本發明具有結構簡單、成本低、打印效率高等突出優點，易于實現大面積復雜三維微納結構制造。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的微尺度3D打印機的結構示意圖；

圖2為本發明實施例2的微尺度3D打印機的結構立體圖；

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：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

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最下部導電噴嘴901與基材10之間設置高壓電源5，其中導電噴嘴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下部的導電噴嘴902與高壓電源11的正極連接，第三噴頭6下部的導電噴嘴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，雙向重復定位精度±0.1μm。實現基材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，完成每一層結構的制造。

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連續可調，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最下部導電噴嘴901與基材10之間設置高壓電源5，其中導電噴嘴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下部的導電噴嘴902與高壓電源11的正極連接，第三噴頭6下部的導電噴嘴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連續可調，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的導電噴嘴附近設置攝像頭15，實現噴嘴與基板距離的精確對準，同時監控整個電噴印過程。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。