专利名称：基于气体输运流体材料的针尖直写方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体材料的微输送方法，属于材料成形及输送技术领域。本发明的方法可应用于熔融沉积成形工艺(Melted Extrusion Modeling，简称MEM，或称为Fused DepositionModeling，简称FDM)、组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺和细胞打印(Cellprinting或Organ printing)等多个方面。
背景技术：
微制造、功能器件制造是快速成形和快速制造发展的重要方向之一，其主要特征是成形精度越来越高。对于流体材料成形，出丝宽度(或微滴直径)是一个关键问题。对于粘度很大的高分子材料，如工程塑料的熔融体等一般采用螺杆挤压或摩擦轮送丝的方法完成材料输送，其出丝直径均在200μm以上，而且存在流涎、易堵塞、喷头清理困难等问题。由于其材料粘度很高，当出丝直径减小时出丝阻力将急剧增高，因此依靠减小直径来提高成形精度难度很大。在生物制造领域，复杂器官三维精细结构成形和类组织前体制造是研究热点，其中微孔、微管等目前还难于直接成形。采用针头注射等方法出丝直径在150μm以上，而且存在流涎、易堵塞、出口胀大效应等问题。蘸笔纳米刻蚀技术(Dip-Pen Nanolithography，简称DPN)采用原子力显微镜的探针，在针尖上蘸上少量材料后涂敷到特定的基板上，可以形成精度很高的图案。但由于材料有限，因此不能成形三维结构。
中国专利申请(200510011113.2)公开了一种基于笔芯/笔管旋转的材料微输运技术，利用维森保效应作为动力，使材料沿针尖流下，可以形成高精度的三维结构。但是该技术存在以下几个缺点首先，该技术利用笔芯/笔管旋转产生维森保效应推动材料沿轴流动，从笔尖流出，就在一定程度上限制了所能应用的材料范围，要求材料具有粘弹性。其次，由于加工和装配产生的误差，笔芯和笔管可能不同心，在笔芯/笔管旋转时，产生偏心，影响材料的直写精度。再次，由于笔尖穿过笔管底端小孔伸出，笔尖和小孔之间存在环形间隙，在直写过程中，受到底板或者已经成形的结构影响，笔尖可能发生摆动，进而影响成形精度。
目前已有的材料输运方式主要存在以下缺点一是摩擦轮输送、螺杆挤压、微滴喷射等材料输运方式均受材料粘度限制。摩擦轮输送、螺杆挤压适合于高粘度的流体成形，粘度一般要在100pa·s以上。粘度过低，就会出现流涎，难以控制成形。微滴喷射方法适合于低粘度材料，粘度一般在0.01pa·s以下。二是摩擦轮输送、螺杆挤压等材料输运方式所用高分子材料出丝直径过粗。摩擦轮输送、螺杆挤压出丝直径一般在200μm以上，难以满足快速成形和生物制造中微结构成形的精度要求。三是弹性流体在管中输运存在出口胀大问题。高分子材料的熔融体、溶液或溶胶一般为弹性流体。在挤出过程中，受压力作用，材料发生体积收缩，一旦挤出管口，由于压力消失，材料发生弹性恢复，体积胀大，出丝直径远大于喷嘴小孔直径。四是蘸笔纳米刻蚀技术只能形成二维图案，而基于笔芯/笔管旋转的材料微输运技术，要求流体材料必须能产生维森保效应。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种基于气体输运流体材料的针尖直写方法及其装置，旨在减小中高粘度高分子材料熔融体、溶液或溶胶的出丝直径，提高成形精度、避免出口胀大效应等问题，同时具有结构简单、操作方便的特点，从而为快速成形和生物制造提供新的使能手段。
本发明的技术方案如下一种基于气体输运流体材料的针尖直写方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在管内设置一个与该管固定在一起且与该管同心的芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述芯轴与管底端中心孔之间留有径向间隙；所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；2)将流体材料和压缩气体从管的顶部加入，使管内的流体材料在气体压力的作用下沿芯轴输运，并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出，所述的气体压力为0.101MPa～2MPa。
本发明提供的另一种技术方案为一种基于气体输运流体材料的针尖直写方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在管内设置一个与该管固定在一起且与该管同心的芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述芯轴与管底端中心孔之间留有径向间隙；所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；2)将流体材料从管的侧壁加入，并在管内流体材料的上方留有空间，然后压缩管内气体的体积使气体压力为0.101MPa～2MPa，使管内的流体材料在气体压力的作用下沿芯轴输运，并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。
本发明还提供了一种实施上述方法装置，其特征在于该装置包括一根管，设置在管内且与该管同心的一根芯轴以及用于将该芯轴与该管固定在一起的定位板，在所述管的顶部设有流体材料和气体加入口，所述芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm，所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；所述的固定板上设有流体通孔。
为了加入不同的流体材料，在上述装置中，所述的芯轴可以采用空心轴，使该芯轴上部从所述的流体材料和气体加入口伸出。
本发明提供的另一种实施上述方法的装置，其特征在于该装置包括一根管，设置在管内且与该管同心的一根芯轴，用于将该芯轴与该管固定在一起的定位板，以及设置在管内的活塞；在所述管的侧壁上设有流体材料加入口，所述芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm，所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；所述的固定板上设有流体通孔。
为了不使芯轴尖端随意摆动，芯轴尖端摆动可能引起的精度误差，本发明在所述的芯轴与管底端中心孔之间设有多个固定芯轴尖端的隔板。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步采用基于气体输运流体材料的针尖直写方法及其装置，当气体压力在0.101MPa～2MPa时，可以将粘度在0.01pa·s到100pa·s的流体形成100μm以内的细丝，直到纳米级，显著提高成形精度；相对于管式微输送，该方法可以避免弹性液体在微管中流动时产生的出口膨胀现象，减少微孔堵塞的可能性，出丝均匀连续；所述装置结构简单，操作简单方便；相对于蘸笔式的微输送方法，本发明一次性装满足够材料，因而可以成形复杂三维结构；相对与旋转笔芯/笔管式材料微输运方法，对流体性能没有限制。
图1为利用输入压缩气体输送流体材料的尖笔直写装置结构示意图。
图2为通过压缩管内气体输送流体材料的尖笔直写装置结构示意图。
图3为芯轴采用空心轴的流体输送装置结构示意图。
图4为图1、图2的A向视图，表示出芯轴尖端与管底端固定的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施作进一步的说明。
图1为利用输入压缩气体输送流体材料的尖笔直写装置结构示意图。该装置包括一根管1，设置在管内且与该管同心的一根芯轴2，所述的芯轴2通过定位板3与管1相连，定位板3上设有流体通孔12，且芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm，并在管的上方设有流体材料和气体的加入口4。芯轴2直径一般在1mm以内，芯轴尖端直径应在200μm以内。芯轴2可以选择与溶液不浸润的材料或进行表面处理，使材料很容易沿芯轴流下。流体材料9从管1上方加入口4进入管内；具有一定压力的气体10通过加入口4进入管内，推动流体材料沿芯轴流下，气体压力一般在0.101MPa～2MPa之间。出丝流量与气体压力和流体粘度相关，气体压力越大，流体粘度越小，出丝流量越大。出丝直径与芯轴直径及芯轴尖端移动速度有关，芯轴直径越小，移动速度越快，出丝直径越小。
图2为通过压缩管内气体输送流体材料的尖笔直写装置结构示意图。该装置包括一根管1，设置在管内且与该管同心的一根芯轴2，所述的芯轴2通过定位板3与管1相连，定位板3上设有流体通孔12，且芯轴2的一端从所述管1底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm；在所述管1的侧壁设有流体进料口5；在所述管1的内部上方设有活塞6。芯轴2直径一般在1mm以内，芯轴尖端直径应在200μm以内；芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm。芯轴2可以选择与溶液不浸润的材料或进行表面处理，使材料很容易沿芯轴流下。流体材料9通过进料口5进入管内，并且在管内材料上方留有一定的空间，加料完毕后堵上加料孔。推动活塞5压缩管内材料上方气体体积，使气体产生压力，推动流体材料沿芯轴流下，气体压力一般在0.101MPa～2MPa之间。同样，出丝流量与气体压力和流体粘度相关，气体压力越大，流体粘度越小，出丝流量越大。出丝直径与芯轴直径及芯轴尖端移动速度有关，芯轴直径越小，移动速度越快，出丝直径越小。
图3为芯轴采用空心轴的流体输送装置结构示意图。在利用输入压缩气体输送流体材料的尖笔直写装置中，芯轴可采用空心轴7，该空心轴7的上端从流体材料和气体加入口4的内部穿过。空心轴7外径一般在1mm以内，内径在800μm以内；芯轴尖端外径应在100μm以内，内径应在80μm以内；流体材料9通过加入口4进入管内，低粘度流体材料11从空心轴上端开口进入。流体材料9沿芯轴外表面输运，而低粘度流体材料11沿轴内孔流动，在轴尖端汇合。
图4为图1和图2的A向视图，表示出芯轴尖端与管底端固定的结构示意图。芯轴与管底端中心孔之间设有多个固定芯轴尖端的隔板8，使其不能随意摆动，避免了芯轴尖端摆动可能引起的精度误差。
权利要求
1.一种基于气体输运流体材料的针尖直写方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在管内设置一个与该管(1)固定在一起且与该管同心的芯轴(2)，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述芯轴与管底端中心孔之间留有径向间隙；所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；2)将流体材料和压缩气体从管的顶部加入，使管内的流体材料在气体压力的作用下沿芯轴输运，并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出，所述的气体压力为0.101MPa～2MPa。
2.一种基于气体输运流体材料的针尖直写方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在管内设置一个与该管(1)固定在一起且与该管同心的芯轴(2)，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述芯轴与管底端中心孔之间留有径向间隙；所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；2)将流体材料从管的侧壁加入，并在管内流体材料的上方留有空间，然后压缩管内气体的体积使气体压力为0.101MPa～2MPa，使管内的流体材料在气体压力的作用下沿芯轴输运，并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。
3.一种实施如权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括一根管(1)，设置在管内且与该管同心的一根芯轴(2)以及用于将该芯轴与该管固定在一起的定位板(3)，在所述管的顶部设有流体材料和气体加入口(4)，所述芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm，所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；所述的固定板上设有流体通孔(12)。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的芯轴(2)为空心轴，该芯轴上部从所述的流体材料和气体加入口(4)伸出。
5.按照权利要求3所述的装置，其特征在于在所述的芯轴与管底端中心孔之间设有多个固定芯轴尖端的隔板(8)。
6.一种实施如权利要求2所述方法的装置，其特征在于该装置包括一根管(1)，设置在管内且与该管同心的一根芯轴(2)，用于将该芯轴与该管固定在一起的定位板(3)，以及设置在管内的活塞(6)；在所述管的侧壁上设有流体材料加入口(5)，所述芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的径向间隙为1～500μm，所述的芯轴直径在1毫米以内，芯轴尖端直径在200微米以内；所述的固定板上设有流体(12)。
7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于在所述的芯轴与管底端中心孔之间设有多个固定芯轴尖端的隔板(8)。
全文摘要
基于气体输运流体材料的针尖直写方法及其装置，属于流体材料加工技术领域。本发明利用压缩气体提供动力，使管内的流体材料在气体压力的作用下沿芯轴输运，并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。本发明可形成直径在100μm以内，甚至到几个纳米的细丝，适合的材料广泛，对具有粘度为0.01pa·s以上熔融体/溶液的流体材料均可；相对于管式微输送，该方法可以避免弹性液体在微管中流动时产生的出口膨胀现象，较少微孔堵塞的可能性；相对于蘸笔式的微输送方法，可一次性装满足够材料，因而可以成形复杂三维结构；相对于旋转笔芯/笔管式微输运材料方法，本发明使用材料更加广泛，而不仅仅局限于粘弹性流体。
文档编号B29C31/00GK1843896SQ200610076248
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者吴任东, 颜永年, 刘丰, 张人佶, 王小红, 熊卓, 林峰, 何飞 申请人:清华大学