一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印机及其工作方法与流程

本发明涉及增材制造和3d打印技术领域，特别是涉及一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机及其工作方法。

背景技术：

熔融沉积成形(fdm)是一种基于材料挤出3d打印工艺，fdm具有材料利用率高、成本低、工艺简单、清洁生产的显著特点和优势，目前fdm已经在航空航天、家电、汽车、医疗、模具、教育、建筑等诸多领域得到非常广泛的应用。但是，目前fdm面临的最大难题是精度低，可供打印材料种类有限，无法实现高精度和高分辨率结构/产品打印。fdm的加工精度的进一步提高受到分层厚度、打印喷嘴尺寸、打印分辨率、打印材料等诸多因素的影响和制约。理论上，采用更小的喷嘴尺寸，能够实现更高分辨率图形打印。但是已有的研究结果证实，随着嘴尺寸的进一步减小将导致高粘度熔融材料的挤出非常困难，尤其当喷嘴尺寸低于100微米，几乎无法实现高粘度熔融材料的连续稳定挤出。现有的压力驱动型熔融沉积成形进一步提高打印的精度和分辨率面临巨大挑战。

电流体动力(ehd)喷射打印是近年出现的一种高分辨率喷射沉积成形技术(微纳尺度打印)，其打印分辨率不受喷嘴尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造，而且可用于电喷印的材料种类非常广泛。基于ehd的熔融沉积成形主要包括两种工艺：(近场)静电纺丝直写、热熔融电喷印。(近场)静电纺丝直写采用高压直流电源，基于纤维(连续线)成型，尤其静电纺丝直写是基于不稳定“鞭动效应”，可控性较差，难以实现复杂三维结构制造。热熔融电喷印采用高压脉冲电源，基于微液滴喷射成型，但是喷头和基底高度一般不超过3毫米(否则难以形成稳定锥射流)，成形高度被限定在3mm以内；当打印工程中断或者停止时，再次打印喷头易于被堵住，喷头浪费严重(热熔融材料在喷嘴尖端冷却后，重新工作后，冷却的材料将堵塞喷头)；基板平整性和导电性等对于打印过程的稳定性有非常大的影响。对于基于ehd的熔融沉积成形，无论是(近场)静电纺丝直写还是热熔融电喷印，都需要基底作为另外一个电极对，尽管该有很高的打印分辨率，但是存在打印稳定性差，尤其是都无法实现宏尺度3d打印以及宏/微跨尺度一体化打印。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机，其引入新的喷头结构，突破传统熔融沉积成形面临精度低、打印材料受限，基于ehd的熔融沉积打印高度受限、稳定性差等问题，解决打印中断后喷头易堵的问题。一方面实现低成本、高分辨率熔融沉积成形；解决宏/微跨尺度一体化打印的难题；扩大了可控打印材料范围，提高打印稳定性和连续性，尤其是能够实现热相变、热塑性聚合物材料、复合材料等材料的复杂三维结构高精、高效、宏/微跨尺度化制造；

本发明的实现方案为：(1)采用导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连接，利用静电感应，形成稳定电场；(2)采用双加热模块一体化控制(温度、压力)集成喷头，实现温度、压力精确稳定调节控制，解决喷头易堵塞问题；(3)引入观测模块，实现打印过程实时监测以及喷头精准定位；(4)设置两种打印模式：气压驱动模式与电场驱动模式。打印宏尺度结构(效率优先)时，采用气压驱动，利用气压将熔融液体挤出成形(连续细丝成形)；打印微尺度结构(精度优先)时，采用电场驱动，利用电场力将熔融液体喷射成形(微熔滴喷射成形)。

具体的，本发明采用下述技术方案：

一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机，包括底板，所述底板上设置y轴工作台，y轴工作台上固定打印平台，所述打印平台上方对应设置喷头模块和垂直观测相机，喷头模块和垂直观测相机连接于z轴工作台，z轴工作台固定于x轴工作台；所述喷头模块一侧对应设置有斜视观测相机，喷头模块另一侧对应设置led光源。

进一步的，所述底板上设置龙门架，龙门架包括与底板连接的龙门架支架，龙门架支架顶部设置龙门架横梁，x轴工作台固定于龙门架横梁上。

进一步的，所述z轴工作台连接有连接架，喷头模块和垂直观测相机均固定于连接架上。

进一步的，所述垂直观测相机设置于喷头模块一侧，且与打印平台垂直。

进一步的，所述斜视观测相机与打印平台具有夹角，夹角可在0-80度之间调节。

进一步的，所述led光源与打印平台具有夹角，夹角可在0-80度之间调节。

进一步的，所述喷头模块与背压调节模块连接。

进一步的，所述喷头模块与高压脉冲电源正极连接，高压脉冲电源与信号发生器连接。

进一步的，所述喷头模块包括打印喷嘴，所述打印喷嘴外周套设针头加热器，所述打印喷嘴顶部与储料筒连通，所述储料筒外周套设环形加热器；所述针头加热器处设置有监测打印喷嘴处温度的针头热电偶，所述环形加热器处设置有监测储料筒温度的储料筒热电偶。

进一步的，所述储料筒顶部设置有金属适配器。

进一步的，所述打印喷嘴和储料筒设置于保温外套内。

进一步的，所述保温外套包括绝缘外套，绝缘外套底部设有供打印喷嘴端部穿出的针尖孔。

进一步的，所述绝缘外套上部为环形加热器安放区，绝缘外套下部为针头加热器安放区。

进一步的，所述绝缘外套内壁沿周向设置环形加热器安放卡槽。

进一步的，所述绝缘外套侧壁设有供导线穿出的导线孔。

进一步的，所述针头加热器包括套设于打印喷嘴外的加热块，加热块设有热电偶插孔以安放针头热电偶，加热块还设有热电阻插孔以安放针头热电阻。

进一步的，所述热电偶插孔内侧设置绝缘材料层。

进一步的，所述储料筒内置有打印材料，所述打印喷嘴为武藏式针头。

进一步的，所述环形加热器为陶瓷加热圈，环形加热器由三层结构组成，最外层为不锈钢层，中间层为保温棉层，最内层为镍铬电阻丝。

进一步的，所述储料筒为绝缘导热材料制成。

所述x轴工作台的有效行程0-500毫米，重复定位精度不低于±1微米，定位精度不低于±3微米，最大速度600mm/s，最大加速度10m/s^2。

所述y轴工作台的有效行程0-500毫米，重复定位精度不低于±1微米，定位精度不低于±3微米，最大速度600mm/s，最大加速度10m/s^2。

所述z轴工作台的有效行程0-200毫米，重复定位精度不低于±1微米，定位精度不低于±3微米。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，x轴工作台、y轴工作台、z轴工作台移动到打印原位；开启环形加热器加热，保证打印喷嘴储料筒内打印材料处于完全熔融状态；开启针头加热器加热，保证打印喷嘴针尖处于设定温度；

步骤2：z轴工作台下移，使打印喷嘴达到预定高度，利用垂直相机辅助定位，预先设置打印路径；通过斜视观测相机观测喷嘴处微熔滴形貌，调节背压调节模块，使储料筒内达到所需背压；

步骤3：选择打印模式：气压驱动或电场驱动；结合工作台的移动，打印形成三维实体结构；

步骤4：关闭各工作部件，x轴工作台、y轴工作台、z轴工作台回到原始工位，从打印平台上取下基底和三维实体结构。

进一步的，所述气压驱动的打印模式为：开启背压调节模块，调节气压，在背压作用下，使液体连续挤出。

进一步的，所述电场驱动的打印模式为：开启高压脉冲电源，在背压作用下，被挤出到打印喷嘴尖端的微熔滴拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力超过熔体的表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射产生极细的射流，实现微熔滴在基板上精准沉积。

进一步的，若需打印多层结构，打印喷嘴在打印底层结束后，上升一个层厚高度，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)只需导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，不需要接地的基底作为对电极，通过静电感应作用形成锥射流所需要的稳定电场，能够减少或者避免传统电喷印中导电喷嘴与导电基底之间放电现象，提高打印的稳定可靠性。尤其是突破热熔融电喷印打印成形高度的限制，实现任意高度和形状的打印。

(2)引入气压驱动和电场驱动两种打印模式，实现熔融沉积成形高效、低成本、高分辨率打印，尤其是实现了宏/微跨尺度一体化打印。

(3)引入观测模块，对于打印过程全程观测和实时监控，同时解决多层打印过程中喷头的精准定位。

(4)采用双加热模块一体化控制(温度、压力)集成喷头，对储料筒以及喷嘴分别加热。储料筒加热使储料桶内材料熔融，具有一定流动性，并保持熔融状态；喷嘴加热使针尖处温度精确可调，精准调节弯液面，确保打印过程质量和精度。

(5)喷嘴设置加热器，当打印中断时或者停机后重新启动打印时，不会出现喷头堵塞，解决喷头易堵的问题。

(6)采用保温喷头外套，减少喷头与外接热交换，保持稳定恒定，提高打印的稳定性。

(7)使用武藏喷嘴，喷嘴不易损坏，提高打印的可靠性。相对于普通喷嘴，武藏喷嘴前端管道内部形状能够有效的减少熔体流出的阻力。另外，与普通的精密针头相比较，针头前段内部较短，不易堵胶，提高使用寿命。内径抛光处理，提高针头内部表面光滑度，实现微量稳定挤出打印材料；前端抛光处理，有效防止拉丝。适合从高粘度到低粘度的多种材料打印。

(8)喷头模块适应性好。喷头模块作为独立模块可以移植到其他三轴工作台上进行打印。

(9)能够实现超高粘度材料的打印，适合材料种类广泛。

(10)设备操作简单，成本低。

(11)结合配置的多个喷头，能够实现多材料和多尺度一体化打印。

熔融沉积成形是目前应用最为广泛的一种增材制造工艺，本发明电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3d打印机，一方面能够显著提高熔融沉积3d打印的精度，尤其是其具有微尺度3d打印能力和宏/微跨尺度一体化打印的能力，可供打印材料广泛，极大拓宽了熔融沉积3d打印应用领域，尤其在生物支架、微结构阵列、微尺度模具、高深宽比微结构、复杂三维微纳结构、热塑性聚合物材料、聚合物基复合材料等领域具有广阔的应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的电场驱动熔融喷射沉积3d打印机的总体结构示意图；

图2是本发明3d打印机的喷头模块剖面示意图；

图中，1底板、2y轴工作台、3打印平台、4龙门架、401龙门架支架、402龙门架横梁、5斜视观测相机、6连接架、7喷头模块、701针头加热器、702针头热电偶、703打印喷嘴、704打印材料、705储料筒、706环形加热器、707绝缘外套、708储料筒热电偶，709金属适配器、8背压调节模块、9x轴工作台、10z轴工作台、11垂直观测相机、12led光源、13信号发生器、14高压脉冲电源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在熔融沉积3d打印分辨率低，打印材料受限，喷头易堵，难以实现高分辨率和微尺度结构打印，尤其是无法实现宏/微/纳多尺度和跨尺度制造的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机及其工作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机，它包括：底板1、y轴工作台2、打印平台3、龙门架4、斜视观测相机5、连接架6、喷头模块7、背压调节模块8、x轴工作台9、z轴工作台10、垂直观测相机11、led光源12、信号发生器13、高压脉冲电源14。其中y轴工作台2置于底板1之上，打印平台3固定在y轴工作台2之上，龙门架4固定在底板1之上，龙门架4包括与底板连接的龙门架支架401，龙门架支架401顶部设置龙门架横梁402，x轴工作台9固定在龙门架横梁402之上，z轴工作台10固定在x轴工作台9，并垂直于水平打印平台3，连接架6固定在z轴工作台10之上，喷头模块7固定在连接架6上，并垂直于水平打印平台3，垂直观测相机11固定在连接架6，置于喷头模块7的一侧，并垂直于水平打印平台3；斜视观测相机5置于喷头模块7的另一侧，与水平打印平台3成一定的角度，并且角度能在0-80之间调节；led光源12置于斜视观测相机5相对的一侧，并且角度能在0-80度之间调节；信号发生器13与高压脉冲电源14相连接，高压脉冲电源的正极与喷头模块7的喷嘴相连接；背压调节模块8与喷头模块7上部的储料筒相连接。

打印平台3，为带有加热功能的正空吸附平台，采用加热棒加热，加热温度最高为100℃，打印平台尺寸为130mm×130mm，其具有绝缘和导热性能。

x轴工作台、y轴工作台、z轴工作台组成运动模块。x轴工作台，y轴工作台可以采用直线电机驱动，z轴工作台可以采用压电驱动或者高分辨率步进电机驱动。

本实施例中，x轴工作台9是直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度±1微米，定位精度±5微米，最大速度500mm/s，最大加速度10m/s^2，负载15kg，连续推力230n。

y工作台2直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度±1微米，定位精度±5微米，最大速度500mm/s，最大加速度10m/s^2，负载15kg，连续推力230n。

z轴工作台10采用步进电机+精密光栅，行程50毫米，重复定位精度1微米，绝对定位精度3微米。

背压调节模块8包括精密调压阀、连接管路、气压源，气压源优先采用高纯氮气瓶。精密调压阀的工作范围是：0.1-8bar。

斜视观测相机、垂直观测相机、led光源组成观测模块。斜视观测相机5和垂直观测相机11为工业相机，采用8倍率镜头。斜视观测相机5和垂直观测相机11也可以采用高分辨率ccd。

高压脉冲电源14输出脉冲电压0-5kv连续可调，输出脉冲频率0hz-3000hz。

图2是本发明实施例的喷头模块剖面示意图，喷头模块从下到上依次包括：针头加热器701、针头热电偶702、打印喷嘴703、打印材料704、储料筒705、环形加热器706、绝缘外套707、储料筒热电偶708，金属适配器709。其中，储料筒705上方与金属适配器709相连，用于连接背压管路，储料筒705下方与打印喷嘴703相连；打印喷嘴703外周套设针头加热器701，用于加热打印喷嘴703，针头加热器701置于最下端，在其中部设置针头热电偶702监测打印喷嘴处温度，打印材料704置于储料筒705内部，环形加热器706置于储料筒704外部且包裹在储料筒704外壁上，储料筒热电偶708置于环形加热器706之上且与储料筒外壁直接相连接监测储料筒温度，保温外套707将整个喷头包裹，针头701穿过保温外套707，用于对喷头模块的保温以及防护作用。

针头加热器701尺寸为导热导电金属材质，略短于喷嘴尺寸，当其与喷嘴紧密结合后，保证针尖部位可以通过针尖孔露出。其加热范围0-400度。

打印喷嘴703为武藏式喷嘴，采用不锈钢材质，喷嘴内径为0.1mm，安装在储料筒405上，并通过导线将喷嘴针尖部位与高压脉冲电源14正极相连接。

储料筒705为绝缘导热材料制成，本实施例中为10ml加厚玻璃针筒，总长度为127.3mm，直径19mm，筒体长度109.5mm。

环形加热器706为陶瓷加热圈，外壳为不锈钢皮，中层有耐高温保温棉，高频陶瓷内有优质镍铬电阻丝，最高加热温度为500℃，打印过程中，温度保持120℃恒定。

金属适配器709为盖状结构，是金属材质耐高温，并且与储料筒可以紧密结合。

针头加热器701包括加热块，针头插孔，热电阻插孔，热电偶插孔。其中，武藏式针头插入针头插孔，与针头加热器701紧密连接，并将针头热电阻与针头热电偶分别插入热电阻插孔以安放针头热电阻与热电偶插孔以安放针头热电偶。加热块套设于打印喷嘴703外。热电偶插孔内部有一层绝缘材料，保证热电偶处与针头加热器处于绝缘状态。

保温外套707包括绝缘外套，导线孔，环形加热器安放区，环形加热器安放卡槽，针头加热器安放区，针尖孔。绝缘外套可以采用石膏(或者陶瓷)材质。其中环形加热器置于环形加热器安放区，并通过环形加热器卡槽与绝缘外套固定相连，针头加热器安放于针头加热器安放区，打印喷嘴通过针尖孔露出于绝缘外套，绝缘外套内部线路均有导线孔穿出绝缘外套，并与温控器相连。环形加热器卡槽为环形凸出结构，用于环形加热器的固定与定位。针尖孔尺寸为略大于针尖尺寸，可供针尖伸出喷射打印材料。

本实施例中绝缘外套为石膏材质，具有保温绝缘功能，同时可以确保针头模块在加热过程中安全可靠。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机的工作方法，打印成形零件的具体工艺步骤如下：

步骤1：打印初始化，x、y、z三轴工作台移动到打印原位；根据具体的打印材料需要的熔点，设定打印温度。开启环形加热器加热，直至储料筒内打印材料处于完全熔融状态，并根据热电偶检测的值，反馈调节环形加热器，确保打印过程中储料筒内打印材料始终保持熔融状态。同时根据打印优化的温度参数，设置喷头加热器温度，确保喷头针尖温度在设定的温度。

步骤2：z轴工作台向下移动，使喷头模块达到预定高度，开启观测模块，利用垂直观测相机辅助定位，预先设置好打印路径(或者打印零件的程序文件)；通过斜视观测相机，观测喷嘴处微熔滴形貌，根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，调节精密调压阀，使储料筒内达到所需背压。

步骤3：选择打印模式：气压驱动和电场驱动。如选择气压驱动，则开启精密调压阀，调节气压，在背压作用下，使液体连续挤出，结合工作台的移动，实现任意复杂图案的高精度制造。如选择电场驱动，则执行步骤4。

步骤4：开启高压脉冲电源，在背压作用下，被挤出到喷嘴尖端的微熔滴在电场力、粘滞力、表面张力等综合作用下拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力(电场力)超过熔体的表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射产生极细的射流，实现微熔滴在基板上精准沉积。

步骤5：结合工作台的移动，实现任意复杂结构或者图案的高精度制造。

步骤6：如需打印多层结构，打印喷头在底层结束后，上升一个层厚高度，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体/结构。

步骤7：关闭高压脉冲电源、环形加热器、针头加热器、精密调压阀，观测模块等，工作台回到原始工位，从打印平台上取下基底和成形零件。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

以聚己内酯polycaprolactone(pcl)为打印材料，利用发明所述的一种电场驱动熔融喷射沉积3d打印机，实现熔融喷射沉积的具体的打印工艺过程如下：

步骤1：打印初始化，y轴工作台2、x轴工作台9、z轴工作台10移动到设备原位；根据所打印的打印pcl材料的熔点，设定打印温度为115℃，开启环形加热器706加热，直至储料筒705内pcl处于完全处于熔融状态，根据热电偶检测的结果，一旦到达设定的打印温度115℃，随后根据反馈的实际温度测量结果，调节环形加热器706，确保保持储料筒705内pcl处于熔融状态。同时，根据打实际的印要求，设置针头加热器701的温度为100℃，确保针头温度精确达到打印要求。

步骤2：z轴工作台10向下移动，使喷走针尖达到设定的高度，开启观测模块，根据垂直观测相机11辅助定位，预先设置好打印路径；通过斜视观测相机5，观测喷嘴针尖处微熔滴形貌(弯液面)，根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，调节精密调压阀，使储料筒内达到所需背压。

步骤3：选择打印模式：气压驱动和电场驱动。如选择气压驱动，则开启精密调压阀，调节气压，在背压作用下，使液体挤出，结合工作台的移动，实现任意复杂图案的高精度制造。如选择电场驱动，则进行以下步骤。

步骤4：开启高压脉冲电源14，在背压作用下，被挤出到打印喷嘴703尖端的微熔滴在电场力、粘性力、表面张力等综合作用下拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力(电场力)超过熔体的表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射产生极细的射流，实现微熔滴在基板上精准沉积。

步骤5：，x轴工作台2和y轴工作台9的运动，实现所设定一层图案的打印。

步骤6：喷头模块7上升一个层厚高度，打印下一层。以已完成实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体/结构。

步骤7：关闭高压脉冲电源14、环形加热器706、针头加热器701、背压调节模块8、斜视观测相机5和垂直观测相机11等，y轴工作台2、x轴工作台9、z轴工作台10返回到原始工位。从打印平台3上取下打印完成的成形零件。

背压调节的工作范围是：0.1-6bar。

电源采用高压脉冲电源，输出脉冲电压0-4kv连续可调，输出脉冲频率0hz-2000hz。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。