本实用新型涉及增材制造和3D打印技术领域，特别是涉及一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机。
背景技术：
材料喷射沉积3D打印是基于微滴喷射原理选择性沉积成形材料的一种增材制造方法，目前国际上已经提出多种材料喷射沉积3D打印技术，主要包括喷墨(热泡或者压电)打印、气溶胶喷射(aerosol jet)、聚合物喷射(PolyJet)、纳米颗粒喷射技术(NanoParticle Jetting)等。但是，这些传统材料喷射沉积成形材料受限，通常要求打印材料的粘度较低(通常小于100cP)，可供打印材料种类有限，打印分辨率不高，目前还难以实现亚微尺度分辨率的打印(传统喷墨打印图形的最小线宽一般大于20微米)，尤其是还难以实现宏/微跨尺度制造，以及难以实现多材料多尺度一体化3D打印。在异质材料多层次复杂三维结构制造方面面临着巨大的挑战。
电流体动力喷射打印(Electrohydrodynamic Jet Printing，E-jet printing)亦称为电喷印，是近年由Park和Rogers等提出和发展的一种基于电流体动力学(EHD)的微液滴喷射成形沉积技术。与传统喷墨打印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，电流体动力喷射打印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。其基本原理是在导电喷嘴(第一电极)和导电基板/衬底(第二电极)之间施加高压脉冲电源，利用在喷嘴和基板之间形成的强电场力将流体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的流体会受到电致切应力的作用，当局部电荷斥力超过液体表面张力后，带电流体从喷嘴处喷射，形成极细的射流(由于是从尖端发射出的射流，射流直径远小于喷嘴直径，因此形成微液滴尺寸远远小于喷嘴尺寸，通常比喷嘴尺寸小1-2个数量级)，微液滴喷射沉积在打印床之上，并通过热/光等予以固化，逐层叠加制造实现复杂三维结构的低成本制造。电流体动力喷射打印的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、纳米尺度分辨率微纳结构的制造，而且可供打印的材料种类广泛，以及能够实现高粘度材料的打印，打印材料的种类有了很大的拓展。该技术已经被应用于柔性电子、生物医疗、组织工程、光电子、微纳光学、复合材料、高清显示等诸多领域，显示了较好的工业化应用前景。
与其它材料喷射沉积3D打印技术相比，尽管电流体动力喷射3D打印在诸多方面具有非常显著和突出的优势。但是，电流体动力喷射3D打印仍然存在诸多的不足和局限性，面临着一些难以解决的问题，主要包括：(1)难以实现高精度多层打印，多层打印对正的问题无法保证；(2)通常打印图形或结构特征尺寸非常小(微纳尺度)，而且打印速度非常高，喷嘴与基板的距离非常小，难以对打印过程进行实观测和时监控，打印图形的精度和质量无法控制；(3)现有的注射泵供料等方式，存在供料的精度和稳定性差，无法满足高精度图形打印的要求；(4)难以实现导电材料在绝缘基材(衬底)上高精度和稳定可靠的打印。由于导电材料在绝缘基板(基材)上的积聚，严重影响电场的稳定性，进而对于打印图形的精度、质量和打印过程的稳定产生不利的影响；(5)成形件(打印件)打印高度受限制，由于导电喷嘴与导电衬底之间距离的限制，电喷印打印的高度一般限定在3毫米以下，难以实现大尺寸零件和宏/微跨尺度结构的制造。这是因为电喷印形成稳定锥射流的电场力会随着导电衬底和导电喷头之间的距离增大而减弱，当超过一定高度(约3mm)后，电场力不足以维持稳定锥射流的产生，无法实现继续打印。同时随着打印高度不断提升和变化，需要不断调整参数来提高电场力以保证稳定锥射流来实现打印，这在实际打印过程中是难以实现的，因此电喷印无法真正实现宏/微跨尺度制造，同时也无法真正实现3D打印；(6)接收基板/衬底(基材)材料受限，接收衬底(基材)作为第二电极，通常要求衬底具有导电性，在非导电衬底上打印时面临诸多限制，需要进行导电处理；(7)对于衬底的形貌和平整度要求高，为保证电场稳定，电喷印通常只适用衬底一定高度变化范围内进行，难以在已有实物(超过3mm)表面打印，也无法在非平整、曲面等衬底上打印，限制了在许多方面的应用，无法实现真正的3D打印；(8)打印材料受限，电喷印工作过程中导电喷嘴上需要施加很高的高压，某些细胞或者生物活性组织材料的打印受限。此外，一些金属材料或者导电性非常好的材料打印过程中容易产生短路放电现象，打印过程稳定性差，因此，电喷印在生物材料和金属材料打印方面面临很大的限制；(9)打印宏尺度结构和大尺寸零件时，效率低。
因此，现有材料喷射沉积3D打印技术在打印材料、分辨率、接收衬底(基材)等存在诸多的不足和局限性，无法实现高分辨率图形打印，尤其是无法实现高分辨率多层结构打印以及复杂三维微纳结构的打印，尤其是无法实现导电材料在绝缘衬底上高精度打印，不具有对打印过程中的实时监控和观测的能力。打印过程中的稳定性和可控性差。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，它能够实现多层结构高精度打印，打印过程实时观测和监控，导电材料在绝缘衬底上高精度图案打印，尤其是能够实现宏/微三微结构的高效和高精度3D打印，解决了宏/微跨尺度一体化打印的难题，同时扩大了可控打印材料和基板使用的种类和范围，提高打印稳定性、可靠性和连续性；
本实用新型采用的实现方案为：(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)引入交流高压电源，在绝缘衬底上打印导电材料时，采用交流高压电源。(3)采用偏置电压+高压直流脉冲电压，利用偏置电压控制泰勒锥的形貌和尺寸，通过高压直流脉冲电压实现稳定锥射流喷射，由于偏置电压的引入，实现锥射流喷射的电压显著降低，能够获得更小的微液滴，极大提高打印精度；同时由于偏置电压持续不断进行电荷补给，能够显著提高所用高压直流脉冲电压的频率，提高打印的效率。(4)设置三种打印模式：脉冲锥射流模式；连续锥射流模式；交流高电压打印模式。其中连续锥射流模式采用高压直流电压；脉冲锥射流模式采用偏置电压+高压直流脉冲电压；交流高压打印模式采用交流高电压。使用脉冲锥射流模式打印微特征结构，确保被打印微特征结构的精度/分辨率(精度优先)；采用连续锥射流模式打印宏观形状特征，在满足精度前提下实现高效打印(兼顾精度，效率优先)；采用交流高电压打印模式，实现导电材料在绝缘衬底上打印时。(5)引进一种新的供料方法和装置，能够实现微量液体连续稳定供料，确保打印过程中的供料和压力的稳定性。传统电喷印的供料方式，打印过程中背压和供料不稳定，无法实现高精度打印，尤其是打印过程中的稳定性差，严重影响打印图形的一致性和高精度。(6)结合远红外固化光源和具有加热功能的打印平台，能够实现打印结构的快速固化，提高多层打印的精度，同时显著提高打印效率。
具体的，本实用新型采用下述技术方案：
一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，包括安装底板，所述安装底板上设置Y轴工作台，Y轴工作台上固定真空吸附平台，真空吸附平台上吸附打印基板，所述打印基板上方对应设置打印喷嘴和垂直观测相机，打印喷嘴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；所述打印喷嘴一侧对应设置有斜视观测相机，打印喷嘴另一侧对应设置LED光源和远红外固化光源；所述打印喷嘴与储料瓶连通，储料瓶设置于升降台上。
进一步的，所述安装底板上设置龙门架，龙门架包括与安装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轴工作台连接有喷嘴支架，喷嘴支架上固定有喷嘴座，所述打印喷嘴固定于喷嘴座上。
进一步的，所述Z轴工作台上固定Z轴安装平台，Z轴安装平台上固定垂直相机支架，垂直观测相机固定于垂直相机支架上。
进一步的，所述垂直观测相机设置于打印喷嘴一侧，且与安装底板垂直。
进一步的，所述Z轴安装平台上固定斜视相机支架，斜视观测相机固定于斜视相机支架上；所述斜视观测相机与安装底板具有夹角，夹角可在0-80度之间调节。
进一步的，所述LED光源和远红外固化光源固定于光源支架上，光源支架固定于Z轴安装平台上；所述LED光源和远红外固化光源与安装底板具有夹角，夹角可在0-80度之间调节。
进一步的，所述储料瓶与背压调节模块连接。
进一步的，所述打印喷嘴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。
所述X轴工作台的有效行程0-800毫米，重复定位精度不低于±0.1微米，绝对定位精度不低于±0.5微米，最大速度1000mm/s，最大加速度100m/s^2。
所述Y轴工作台的有效行程0-800毫米，重复定位精度不低于±0.1微米，绝对定位精度不低于±0.5微米，最大速度1000mm/s，最大加速度100m/s^2。
所述Z轴工作台的有效行程0-200毫米，绝对定位精度不低于±0.2微米。
为了克服现有技术的不足，本实用新型还提供一种高精度电场驱动喷射沉积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；根据打印材料设定真空吸附平台的加热温度；
步骤2：Z轴工作台下移，使打印喷嘴达到预定高度，开启LED光源、远红外固化光源、垂直观测相机、斜视观测相机，利用垂直相机辅助定位；通过斜视观测相机观测喷嘴处微液滴形貌；
步骤3：选择打印模式：脉冲锥射流模式或连续锥射流模式或交流高电压模式；结合工作台的移动，打印形成三维实体结构，打印过程中利用斜视观测相机进行实时观测和监控；
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，从打印基板上取下三维实体结构。
进一步的，所述步骤3中，若打印材料为导电材料，选择交流高电压打印模式，调整电压和频率进行打印。
进一步的，所述步骤3中，若打印大尺寸宏观结构，选择连续锥射流模式，采用直流高压，调节电压大小进行打印。
进一步的，所述步骤3中，若打印高精度微特征结构，选择脉冲锥射流模式，开启信号发生器和高压脉冲直源，利用斜视观测相机，调节打印工艺参数进行打印。
进一步的，若需打印多层结构，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，结合垂直观测相机的定位，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，本实用新型的有益效果是：
(1)只需导电喷嘴与高压电源正极相连，不需要接地的基板作为对电极，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板之间放电或者短路放电等现象，提高打印过程的稳定可靠性。尤其是突破现有电喷印打印成形高度的限制，实现任意高度和基板形状的高精度打印。
(2)引入脉冲锥射流模式、连续锥射流模式、交流高电压模式三种打印模式，根据打印材料种类的不同、使用基板/衬底不同、打印特征结构不同，选择不同的打印模式。一方面扩大了本实用新型的工艺适用范围，同时提高了打印精度和效率，尤其是能够实现宏/微跨尺度一体化打印，多层结构高精度打印。
(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)采用储料瓶结合升降台和背压调节模块，能精准控制供到喷嘴处材料流量和压力，精准调节弯液面，确保打印过程稳定性，提高打印精度和质量。
(5)采用基板加热与远红外固化相结合的固化方式，实现打印材料的快速固化，一方面提高了打印效率，另一方面，提高了多层打印的精度。
(6)喷嘴安装在喷嘴座上，拆卸、安装简易，方便清洗和更换。
(7)采用新的供料方法和装置，能够实现微量液体连续稳定供料，确保打印过程中的稳定性。克服传统电喷印的供料方式打印过程中背压和供料不稳定，无法实现高精度打印，尤其是打印过程中的稳定性差，严重影响打印图形的一致性和高精度。
(8)使用武藏喷嘴，喷嘴不易损坏，能提高打印的可靠性。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溶液流出的阻力。另外，与普通的精密针头相比较，针头前段内部较短，不易堵塞，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。
(9)能够实现从高粘度到低粘度的多种材料打印，适合材料种类广泛。
(10)设备操作简单，成本低。
(11)采用龙门式结构，设备刚性好，操作空间大等优点。
(12)打印图形精度高，能够实现亚微尺度和纳尺度图形的打印。
(13)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。
(14)打印效率高，稳定性好，可靠性高。
高精度电场驱动喷射沉积3D打印机具有多种有点和广泛应用前景，显著提高了打印图形的精度，打印的稳定性、可靠性、和打印效率，尤其是其具有微尺度和纳尺度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，极大拓宽了喷射沉积3D打印机的应用领域。尤其在微结构阵列、微尺度模具、高深宽比微结构、复杂三维微纳结构、微电子等领域具有及其广阔的应用前景。特别是在大尺寸透明电极和超微细电路制造方面具有广泛的应用前景。
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为本实用新型的一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机的总体结构示意图；
图中，1安装底板、2升降台、3储料瓶、4背压调节模块、5斜视观测相机、6斜视相机支架、7龙门架、701龙门架支架、702龙门架横梁、8Z轴安装平台、9Z轴工作台、10X轴工作台、11垂直观测相机、12垂直相机支架、13光源支架、14喷嘴支架、15喷嘴座、16打印喷嘴、17LED光源、18远红外固化光源、19信号发生器、20高压脉冲电源、21基板、22真空吸附平台、23Y轴工作台。
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3D打印分辨率、稳定性和可控性多方面存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，它包括：安装底板1、升降台2、储料瓶3、背压调节模块4、斜视观测相机5、斜视相机支架6、龙门架7、龙门架支架701、龙门架横梁702、Z轴安装平台8、Z轴工作台9、X轴工作台10、垂直观测相机11、垂直相机支架12、光源支架13、喷嘴支架14、喷嘴座15、打印喷嘴16、LED光源17、远红外固化光源18、信号发生器19、高压脉冲电源20、基板21、真空吸附平台22、Y轴工作23。其中Y轴工作台23置于安装底板1之上，真空吸附平台22固定在Y轴工作台23之上，并吸附打印基板21；龙门架7固定在安装底板1之上，龙门架7包括与安装底板1连接的龙门架支架701，龙门架支架701顶部设置龙门架横梁702，X轴工作台10固定在龙门架横梁702之上，Z轴工作台9固定在X轴工作台10上，并垂直于水平安装底板1；Z轴安装平台8固定在Z轴工作台9之上，Z轴安装平台8上固定有喷嘴支架14，喷嘴支架14上安装有喷嘴座15，喷嘴座15上装有垂直于安装底板1的打印喷嘴16；垂直观测相机11固定在垂直相机支架12上，垂直相机支架12安装在Z轴安装平台8上，置于喷嘴16的一侧，并垂直于安装底板1；斜视观测相机5固定在斜视相机支架6上，斜视相机支架6安装在Z轴安装平台8上，置于喷嘴16的另一侧，与安装底板1成一定的角度，并且角度在0-80度之间任意调节；LED光源17和远红外固化光源18安装在光源支架13上，置于斜视观测相机5相对的一侧，并且角度能在0-80度之间任意调节；信号发生器19与高压电源20相连接，高压电源20的正极与打印喷嘴16相连接；升降台2置于安装底板1之上，储料瓶3置于升降台2上，储料瓶3连接打印喷嘴16和背压调节模块4。
打印喷嘴16采用不锈钢喷嘴、武藏式针头、玻璃针头(针头喷金导电处理)等，喷嘴内径范围0.1-200微米。
背压调节模块4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。
升降台2、储料瓶3、背压调节模块4组成供料模块，实现打印过程中打印材料稳定连续供料，并且能够精准调节材料的供应量。储料瓶为非金属材质，容量为0-500ml；两级调整供料(气压和液位差)。输液管路为不透明材料，管径与针头转接头匹配。供料时，储料瓶内气管位于液面以上，供液管位于液面以下，储料瓶3固定于升降台2上。
真空吸附平台22，为带有加热功能的真空吸附平台，采用加热棒加热，加热温度最高为50℃，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轴工作台可以采用高分辨率步进电机驱动。X轴工作台、Y轴工作台和Z轴工作台也可采用高精密压电驱动。
本实施例中，X轴工作台10是直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米，最大速度700mm/s，最大加速度100m/s^2。
Y轴工作台23是直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米，最大速度700mm/s，最大加速度100m/s^2。
Z轴工作台9采用高分辨率步进电机+精密光栅，行程50毫米，绝对定位精度1微米。
X轴工作台、Y轴工作台和Z轴工作台也可以采用高精密压电驱动。
高压脉冲电源20，具有以下功能，输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲直流高压，且能够设置偏压。设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调。交流高压0-±4KV。
真空吸附平台22具有绝缘和导热性能。加热范围0-120摄氏度。
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为工业相机或者高分辨率CCD，采用8倍率镜头。
远红外固化光源18为光斑直径小于0.1毫米的细点激光器。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种高精度电场驱动喷射沉积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轴工作台、Y轴工作台、Z轴工作台移动到打印原位。根据具体的打印材料设定真空吸附平台的加热温度。
步骤2：Z轴工作台带动喷头向下移动，使打印喷嘴达到设定的高度，开启LED光源、远红外固化光源、垂直观测相机、斜视观测相机。利用垂直观测相机辅助定位；通过斜视观测相机，观测喷嘴处微液滴形貌(泰勒锥的形状和大小)，并且通过调节工艺参数，获得理想的泰勒锥和锥射流。
步骤3：选择打印模式：脉冲锥射流模式或连续锥射流模式或交流高电压模式。如果是在绝缘衬底上打印导电材料(例如在PET或者玻璃衬底上打印纳米银墨水(浆料)，选择交流高电压打印模式，调整电压和频率，结合工作台的移动，实现任意复杂图案的高精度制造。如果是打印大尺寸宏观结构，采用连续锥射流模式，采用直流高压，调节电压大小，并结合工作台的移动，实现任意复杂图案的高精度制造。如果是打印高精度微特征结构，则执行步骤4。
步骤4：开启信号发生器和脉冲直流高电压，利用斜视观测相机，调节打印工艺参数，例如电压、频率、占空比等，获得理想的泰勒锥和稳定的锥射流。
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。同时利用斜视观测相机，对于整个打印过程实时观测和监控，确保打印图形的精度和质量。
步骤6：如需打印多层结构，则打印第一层结束后，上升一个层厚高度，结合垂直观测相机的精准定位，以打印好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：关闭信号发生器和高压电源、真空吸附平台、精密调压阀、LED光源、远红外固化光源和垂直观测相机、斜视观测相机等，X轴工作台、Y轴工作台、Z轴工作台回到原始工位，从基板上取下成形工件。
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。
以光敏聚合物为打印材料，采用硅片为打印的基材，利用实用新型所述的一种高精度电场驱动喷射沉积3D打印机，实现高精度喷射沉积的具体的打印工艺过程如下：
步骤1：打印初始化，X轴工作台10、Y轴工作台23、Z轴工作台9移动到打印原位。真空吸附平台的加热温度设定在40度。
步骤2：Z轴工作台9向下移动，使打印喷嘴16达到与基板21的距离为100微米的位置，开启LED光源17、远红外固化光源18、垂直观测相机11、斜视观测相机5，利用斜视相机5，观测打印喷嘴16尖端处微液滴形貌的变化(泰勒锥)，调节背压、电压等工艺参数，确保获得理想的泰勒锥和稳定的锥射流。X轴工作台10和Y轴工作台23打印速度设置为200mm/s。
步骤3：本实施例打印亚微尺度图案，选择脉冲锥射流模式，采用偏置电压+脉冲直流高电压。
步骤4：开启信号发生器19和直流高压脉冲电源20，偏置电压设置为1000V，高压脉冲的电压设置为800V，频率1000HZ，占空比55％。
步骤5：根据打印文件G代码，或者预先设置的打印路径，通过X轴工作台10和Y轴工作台23的运动实现一层图案的打印。利用斜视观测相机，对于整个打印过程实时观测和监控，确保打印图形的精度、质量和稳定性。
步骤6：当打印第二层及以上结构时，根据设定的分层厚度，Z轴工作台9上升一个层厚高度(本实施例层厚高度1微米)，配合垂直观测相机11的精准定位，以打印好的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层(第二层)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：关闭信号发生器19和脉冲直流高压电源20、真空吸附平台22、背压调节模块4、LED光源17、远红外固化光源18、垂直观测相机11、斜视观测相机5等，X轴工作台10、Y轴工作台23、Z轴工作台9工作台返回到原始工位，从基板21上取下成形工件。
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。