1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种局部控温的电射流打印方法。
背景技术：
2.复杂微纳三维结构的各种制造方法已被大量研究，并广泛应用在生物医疗、组织工程、微纳机电系统、微纳传感器等领域中。其中微纳尺度3d打印在复杂微纳三维结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势，而且还具有成本低、设备简单、可使用材料种类多、直接成形等优点。但是在各种微纳3d打印结构中经常发现结构缺陷，例如在微纳机电系统中电连接器、电介质和无缘元件的印刷；基于高度可拉伸的水凝胶电子设备；用于手机应用的3d打印天线等，打印这些电子电路的主要挑战之一是应用包含金属纳米颗粒的墨水制造高电阻率的3d打印导线，而在打印过程中容易出现孔隙、裂纹、结块等结构缺陷。
技术实现要素：
3.本发明为了克服上述微纳3d打印结构中的结构缺陷，发明了一种局部控温的电射流打印方法。首先基于电动流体力学原理的微纳尺度电喷射流在衬底上打印出微纳三维结构，接着利用微纳三维扫描仪对微纳三维结构进行扫描，并将微纳三维结构的位置信息通信传输给电脑，电脑通过程序将三维数据转化为二维数据，并将二维数据输入可控局部传热板，可控局部传热板根据二维位置信息调整出可传热的区域，最后利用变温控制器控制加热板对三维微纳结构进行加热。此局部控温的电射流打印方法通过可传热区域的调整与衬底温度速率的控制，可以抑制结构缺陷的产生。
4.本发明采用的技术方案是：
5.一种局部控温的电射流打印方法，该方法利用电射流打印技术在衬底上制备出微纳三维结构，一侧的微纳三维扫描仪对微纳三维结构进行扫描，记录下结构的三维位置信息并通信传输至电脑，电脑通过程序将三维数据转化为二维数据，并将二维数据输入位于衬底下方的可控局部传热板，可控局部传热板根据二维位置信息调整可传热的区域，最后利用变温控制器控制加热板对三维微纳结构进行加热。该装置包括电射流打印模块、局部传热模块、控温模块；所述的电射流打印模块包括x-y运动轴、高压电源、精密注射泵、微量注射器、打印墨水、连接软管、微纳喷针、z运动轴、导电环、微纳射流、衬底、微纳三维结构；所述的 x-y运动轴位于衬底下方；所述的精密注射泵上方固定有微量注射器，微量注射器装有打印墨水，微量注射器通过连接软管与微纳喷针连通；所述的导电环固定在微纳喷针上；所述的微纳喷针固定在z运动轴上；所述的高压电源输出端连接着导电环；所述的微纳射流形成在微纳喷针与衬底间，微纳射流沉积至衬底上形成微纳三维结构；所述的衬底仅在竖直方向可以传热。
6.所述的局部传热模块包括微纳三维扫描仪、电脑、可控局部传热板；所述的微纳三维扫描仪与电脑通信连接，用于扫描获取微纳三维结构的三维位置信息；所述的电脑与可
控局部传热板相连接，通过程序把三维位置信息转换为二维位置信息并将其输送至可控局部传热板；所述的可控局部传热板平行固定在衬底下方，由数块可定向/定量移动的活动板组成；所述的可控局部传热板控制的可传热区域与微纳三维结构区域一致。
7.所述的控温模块包括绝缘柱、变温速率控制器、加热板、微纳相机；所述的绝缘柱固定在x-y运动轴的上方，阻隔高压电源向下传输的电荷；所述的加热板固定在绝缘柱与可控局部传热板之间，竖直向上传递热量；所述的微纳相机位于衬底斜上方，实时监控微纳三维结构的变化形态；所述的变温速率控制器连接着加热板，控制加热板以适当速率加热至指定温度。
8.具体步骤如下：
9.第一步，打印微纳三维结构
10.首先在x-y运动轴上依次安装绝缘柱、加热板、可控局部传热板和衬底，所述衬底仅在竖直方向上导热，精密注射泵上固定微量注射器，在微量注射器吸入一定量的打印墨水后，通过连接软管将微量注射器与微纳喷针相连，借助精密注射泵的推压力，打印墨水被送至微纳喷针出口处，导电环固定在微纳喷针上，微纳喷针固定在z运动轴上，微纳喷针可以随z 运动轴在竖直方向上移动；高压电源通过导电环向微纳喷针施加合适的高电压，使微纳喷针与衬底之间产生电场，微纳喷针出口处的打印墨水在电场力、重力、墨水表面张力/介电力/ 粘滞力的综合作用下形成微纳射流，微纳射流在x-y运动轴与z运动轴的运动下不断沉积在衬底上，最终形成微纳三维结构；
11.第二步，调制传热区域
12.打印过程结束后，开启微纳三维扫描仪对微纳三维结构进行扫描，获取微纳三维结构的位置信息；电脑与微纳三维扫描仪通信连接，接收微纳三维扫描仪通信传输的三维位置信息，通过程序把三维位置信息转化为二维位置信息，最终把二维位置信息传输给可控局部传热板；阻热材料制成的可控局部传热板收到二维位置信息后，通过电机定向/定量地驱动可控局部传热板上活动板的位置，调整出可向衬底传热的区域，调整后的可传热区域与微纳三维结构区域一致，保证在加热时仅微纳三维结构区域有热量的传递，防止微纳三维结构因升温不均匀产生结构缺陷；
13.第三步，梯度加热微纳三维结构
14.加热过程中，加热板与变温速率控制器相连，变温速率控制器控制加热板对微纳三维结构进行加热，同时微纳相机实时监控微纳三维结构的变化形态，根据所反馈的形态及时调整合适的变温速率，保证微纳三维结构以合适的温度变化速率升温，防止结构升温过快导致结构缺陷产生；在衬底竖直方向传热特性和可控局部传热板的共同作用下，微纳三维结构仅受到加热板竖直向上传递的热量。
15.本发明的有益效果为：利用电射流打印、局部传热与温度控制相结合的方法，避免了微纳三维结构打印制造中的结构缺陷问题，基于电动流体力学效应的微纳尺度电喷射流在衬底上打印出微纳三维结构，然后利用微纳三维扫描仪对微纳三维结构进行扫描，记录下结构的三维位置信息并通信传输至电脑，电脑通过程序将三维数据转化为二维数据，并将二维数据输入位于衬底下方的可控局部传热板，可控局部传热板根据二维位置信息调整可传热区域，最后利用变温控制器控制加热板对三维微纳结构进行加热。电射流打印、局部传热与温度控制相结合的方法可以使微纳三维结构在加热过程中仅受到竖直向上传递的
热量，避免了微纳三维结构升温区域不均匀、升温速率过快，导致结构缺陷的产生。
附图说明：
16.图1是本发明实施例中的局部控温的电射流打印装置示意图。
17.图2是本发明实施例中调制传热区域的示意图。
18.图3是本发明实施例中微纳三维结构梯度加热示意图。
19.图中：1 x-y运动轴、2绝缘柱、3变温速率控制器、4微纳相机、5高压电源、6精密注射泵、7微量注射器、8打印墨水、9连接软管、10微纳喷针、11 z运动轴、12导电环、13 微纳三维扫描仪、14电脑、15微纳射流、16衬底、17可控局部传热板、18微纳三维结构、 19加热板。
具体实施方式
20.以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图3。
21.本实施例公开了一种局部控温的电射流打印方法，该方法是利用一种局部控温的电射流打印方法装置实现的，该装置包括电射流打印模块、局部传热模块、控温模块。
22.具体地讲，在本实施例中，电射流打印模块包括x-y运动轴1、高压电源5、精密注射泵6、微量注射器7、打印墨水8、连接软管9、微纳喷针10、z运动轴11、导电环12、微纳射流15、衬底16、微纳三维结构18。
23.x-y运动轴1位于衬底16下方；所述的精密注射泵6上方固定有微量注射器7，微量注射器7装有打印墨水8，微量注射器7通过连接软管9与微纳喷针10连通；所述的导电环12 固定在微纳喷针10上；所述的微纳喷针10固定在z运动轴11上；所述的高压电源5输出端连接着导电环12；所述的微纳射流15形成在微纳喷针10与衬底16间，微纳射流15沉积至衬底16上形成微纳三维结构18；所述的衬底16仅在竖直方向可以传热。
24.具体地讲，在本实施例中，局部传热模块包括微纳三维扫描仪13、电脑14、可控局部传热板17；所述的微纳三维扫描仪13与电脑14通信连接，用于扫描获取微纳三维结构18的三维位置信息；所述的电脑14与可控局部传热板17相连接，通过程序把三维位置信息转换为二维位置信息并将其输送至可控局部传热板17；所述的可控局部传热板17平行固定在衬底16下方，由数块可定向/定量移动的活动板组成；所述的可控局部传热板17控制的可传热区域与微纳三维结构18区域一致。
25.具体地讲，在本实施例中，控温模块包括绝缘柱2、变温速率控制器3、加热板18、微纳相机4；所述的绝缘柱2固定在x-y运动轴1的上方，阻隔高压电源5向下传输的电荷；所述的加热板19固定在绝缘柱2与可控局部传热板17之间，竖直向上传递热量；所述的微纳相机4位于衬底斜上方，实时监控微纳三维结构18的变化形态；所述的变温速率控制器3 连接着加热板19，控制加热板19以适当速率加热至指定温度。
26.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
27.采用上述装置进行局部控温的电射流打印，包括以下步骤：
28.第一步，打印微纳三维结构
29.首先在x-y运动轴1上依次安装绝缘柱2、厚度为0.5-500μm加热板19、厚度为1-800μm 可控局部传热板17和厚度为0.2-200μm的衬底16，安装方式为真空吸附或机械固定，定位精度优于5μm，x-y运动轴1运动速度范围0.001-300mm s-1
、加(减)速度范围0.5-200mm s
‑2，衬底16仅在竖直方向上导热；精密注射泵6上固定有量程为20-1000μl微量注射器7，在微量注射器7吸入一定量的打印墨水8后，通过连接软管9将微量注射器7与不锈钢或石英材质的微纳喷针10相连，微纳喷针10内径为0.08-300μm，借助精密注射泵6的推压力，打印墨水8以0.2-500μl/min被送至微纳喷针10出口处；厚度为0.1-10mm的导电环12固定在微纳喷针10上，微纳喷针10固定在z运动轴11上，微纳喷针10可以随z运动轴11在竖直方向上运动，运动速度范围0.005-300mm s-1
、加(减)速度范围0.8-200mm s-2
；最大量程为10000v 的高压电源5通过导电环12向微纳喷针10施加400-8000v电压，使微纳喷针10与衬底16 之间产生电场，微纳喷针10出口处的打印墨水8在电场力、重力、墨水表面张力/介电力/粘滞力的综合作用下形成直径为0.2-50μm微纳射流15，微纳射流15在x-y运动轴1与z运动轴11的运动下不断沉积在衬底16上，最终形成微纳三维结构18。
30.第二步，调制传热区域
31.打印过程结束后，开启微纳三维扫描仪13对微纳三维结构18进行扫描，获取微纳三维结构18的位置信息，微纳三维扫描仪13的单面扫描范围为25-5000μm、单面扫描精度优于 2μm；电脑14与微纳三维扫描仪13通信连接，接收微纳三维扫描仪13通信传输的三维位置信息，通过程序把三维位置信息转化为二维位置信息，最终把二维位置信息传输给可控局部传热板17；阻热材料制成的可控局部传热板17收到二维位置信息后，通过电机定向/定量地驱动可控局部传热板17上活动板的位置，调整出可向衬底传热的区域，单块活动板的调整范围为0.5-500μm，调整后的可传热区域与微纳三维结构18区域一致，保证在加热时仅微纳三维结构18区域有热量的传递，防止微纳三维结构18因升温不均匀产生裂纹等缺陷。
32.第三步，梯度加热微纳三维结构
33.加热过程中，加热板19与变温速率控制器3相连，加热板19的加热温度在30-2000℃，变温速率控制器3控制加热板19对微纳三维结构18进行加热，温度变化速率为0.005-50℃/s，同时微纳相机4实时监控微纳三维结构18的变化形态，根据所反馈的形态及时调整合适的变温速率，保证微纳三维结构18以合适的温度变化速率升温，防止结构升温过快产生结构缺陷；在衬底16竖直方向传热特性和可控局部传热板17的共同作用下，微纳三维结构18仅受到加热板19竖直向上传递的热量。