本發(fā)明涉及一種三維打印微納結(jié)構(gòu)的裝置及方法，屬于快速成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
三維打印技術(shù)是通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的一種快速成型技術(shù)。工程塑料是被應(yīng)用的最為廣泛的一種三維打印材料，其打印方式基本上是通過原料擠出的方式逐層打印的，但由于受到噴頭直徑的限制以及纖維擠出后的膨脹效應(yīng)，使得擠出的纖維直徑較粗，導(dǎo)致以此堆積而成的三維結(jié)構(gòu)精確度較差，不能滿足微納結(jié)構(gòu)的打印要求。
靜電紡絲是一種制備微/納米纖維最簡單、方便的方法之一，因?yàn)檠b置簡單、成本較低而被各領(lǐng)域的研究人員所青睞。電紡纖維已被廣泛應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程、過濾材料、高效催化、光電器件等各個(gè)領(lǐng)域。在高壓電場(chǎng)的作用下，液滴的穩(wěn)定性被破壞，形成細(xì)小的射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收板上，形成微/納米纖維。然而，隨著紡絲時(shí)間的延長，沉積在接收板上的纖維累積，對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，進(jìn)而影響射流的形成以及纖維的進(jìn)一步沉積。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種利用交流電紡絲實(shí)現(xiàn)三維打印微納結(jié)構(gòu)的裝置及方法，把改進(jìn)的電紡技術(shù)應(yīng)用于三維打印技術(shù)中，從而提高三維打印的精度。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種利用交流電紡絲實(shí)現(xiàn)三維打印微納結(jié)構(gòu)的裝置，包括交流高壓電源發(fā)生器、推注系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)；所述的接收系統(tǒng)包括接收板、控溫系統(tǒng)以及三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；所述的控溫系統(tǒng)使得接收板的溫度穩(wěn)定在打印原料的熔點(diǎn)以下；所述的三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使接收板在空間中沿XYZ軸任意運(yùn)動(dòng)；所述的推注系統(tǒng)中裝入打印原料，通過針頭將打印原料出射沉積到接收板上；所述交流高壓電源發(fā)生器的輸出端兩極分別連接針頭和接收板，在針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)。
所述的針頭與接收板垂直放置。
所述交流高壓電源發(fā)生器的輸出電壓波形為正弦波，有效值為3-10kV，頻率為40-200Hz。
所述打印原料為靜電紡絲聚合物，包括但不限于聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯。
本發(fā)明還提供一種利用交流電紡絲實(shí)現(xiàn)三維打印微納結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：
1)構(gòu)建待打印微結(jié)構(gòu)的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，獲得各分層的輪廓信息和填充信息；
2)將打印原料裝入推注系統(tǒng)，在針頭處形成打印原料的球形液滴；在針頭和接收板上施加交流高壓電，使針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)，在交變高壓電場(chǎng)的作用下，打印原料形成單一射流，沉積到接收板上形成微納米纖維；接收板的溫度穩(wěn)定在打印原料的熔點(diǎn)以下，使得微納米纖維固化；
3)控制接收板運(yùn)動(dòng)，得到三維模型的分層截面；依次遍歷三維模型的各分層，完成三維模型的打印。
所述三維模型每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
所述針頭與接收板的距離為1-10mm。
所述接收板相對(duì)針頭的運(yùn)動(dòng)速度為0.5-5m/min。
所述推注系統(tǒng)的推注速率為0.5-3ml/h。
本發(fā)明的有益效果是：采用交流高壓電源后，在交變高壓電場(chǎng)的作用下，針尖處的液滴周期性地被拉伸，液滴表面的不穩(wěn)定性加劇，當(dāng)電場(chǎng)力大于表面張力時(shí)，液滴的表面會(huì)形成細(xì)小的射流，該射流的表面電荷極性周期性地改變，進(jìn)而可使射流所帶的電荷可以被自身中和，避免了后續(xù)新形成的射流因帶同種電荷而被排斥，導(dǎo)致新形成的纖維不易沉積到接收板上。采用交變高壓電場(chǎng)，還可以有效地增加纖維沉積的厚度。采用交變高壓電場(chǎng)后，纖維可在絕緣接收板上沉積，有效地避免纖維持續(xù)堆積而導(dǎo)致電場(chǎng)分布發(fā)生變化，提高纖維在接收板上的沉積精度以及沉積厚度。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工作原理圖；
圖中，①-推注系統(tǒng)，②-控溫儀，③-加熱套筒，④-交流高壓電源，⑤-XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，⑥-恒溫臺(tái)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
本發(fā)明提供的一種利用交流電紡絲實(shí)現(xiàn)三維打印微結(jié)構(gòu)的裝置，交流高壓電源發(fā)生器、推注系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)；所述的接收系統(tǒng)包括接收板、控溫系統(tǒng)以及XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使接收板可以保持某一恒定溫度并沿XYZ軸任意運(yùn)動(dòng)，推注系統(tǒng)的針頭與接收板垂直放置。
打印原料裝入推注系統(tǒng)，使其在針頭處形成球形液滴，將交流電源分別接在針頭處以及接收板上，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)，在交變高壓電場(chǎng)的作用下，液滴的穩(wěn)定性被破壞，形成細(xì)小的單一射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收裝置上形成微/納米纖維，通過調(diào)節(jié)接收板的控溫系統(tǒng)使接收板穩(wěn)定在打印材料熔點(diǎn)以下的某一恒定溫度，使沉積到接收板上的微/納米纖維迅速固化，并且可以與新形成的微/納米纖維緊密結(jié)合，不被破壞。
通過控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使其運(yùn)動(dòng)路徑與分層信息相一致，得到分層的截面。每完成一層的電紡后，使XYZ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿Z軸下降一層的高度。依次循環(huán)直至完成所有的分層結(jié)構(gòu)。
所述高壓電源為交流高壓電源，輸出電壓波形為正弦波，有效值為3-10kV，頻率為40-200Hz。
所述打印原料為可靜電紡絲的聚合物，通過使用溶劑或加熱的方法制備為具有一定粘度的均一溶液，包括聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等。
所述的三維微納結(jié)構(gòu)每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
所述針頭與接收板的距離為1-10mm。
所述針頭與接收板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.5-5m/min。
所述推注速率為0.5-3ml/h。
本發(fā)明所述的一種利用交流電紡絲實(shí)現(xiàn)三維打印微結(jié)構(gòu)的方法，包括以下具體步驟：
(1)利用計(jì)算機(jī)繪制預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其做分層處理，得到預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的分層信息，并導(dǎo)入接收裝置的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中；上述每一分層的厚度為0.001-0.2mm。
(2)將打印原料溶劑溶解或加熱熔融后裝入推注系統(tǒng)，調(diào)整推注速率在0.5-2ml/h之間，分別將交流高壓電源的兩端與針頭和接收板相連接，使針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)，調(diào)節(jié)交流高壓電源的輸出電壓為3-10kV，然后調(diào)整針頭和接收板之間的距離在1-10mm之間，使被推出的液滴可以在交變高壓電場(chǎng)的作用下，表面的穩(wěn)定性被破壞，形成細(xì)小射流，在庫侖力的作用下，加速沉積到接收裝置上形成微/納米纖維，通過調(diào)節(jié)接收板的控溫系統(tǒng)使接收板穩(wěn)定在打印材料熔點(diǎn)以下的某一恒定溫度，使沉積到接收板上的微/納米纖維迅速固化，并且可以與新形成的微/納米纖維緊密結(jié)合，不被破壞。
(3)通過控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使其運(yùn)動(dòng)路徑與分層信息相一致，每完成一層的電紡即可得到一個(gè)分層的截面。每完成一個(gè)截面的電紡，使接收板沿Z軸下降一個(gè)分層厚度的高度，依次循環(huán)直至完成所有的分層結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例一
1)繪制預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的三維模型，并做分層處理，使每一分層厚度為0.02mm，得到預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的分層信息，導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使其接收板的運(yùn)動(dòng)路徑和分層信息相一致。
2)將聚己內(nèi)酯顆粒裝入帶有不銹鋼針頭的玻璃注射器中加熱至150℃使其熔融，保溫4h以上并排除氣泡，放置推注泵上，調(diào)整推注速率為0.9ml/h；將交流高壓電源的兩端分別與針頭和接收板相接，調(diào)整交流高壓電源使其輸出為正弦波，有效輸出電壓為5kV，頻率為50Hz，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)；調(diào)整接收板和針頭的距離為5mm，使被推注出的液滴在交變高壓電場(chǎng)的作用下，形成微小細(xì)流，通過庫侖力的拉伸，進(jìn)一步形成微納米纖維而沉積在運(yùn)動(dòng)的接收板上；調(diào)整接收板的移動(dòng)速率為2m/min，使沉積在接收板上的纖維無扭曲，筆直而連續(xù)；調(diào)節(jié)接收板上的控溫系統(tǒng)，使其恒定在50℃，該溫度可以使沉積在接收板上的纖維快速固化，在兩根纖維的節(jié)點(diǎn)處起到固定的作用、在相鄰分層之間也起到重要的連接作用。
3)每完成一個(gè)分層的電紡，接收板沿Z軸方向向下下降0.02mm，即一個(gè)分層的厚度，然后繼續(xù)第二分層的電紡，一次重復(fù)循環(huán)直至完成所有分層的電紡，即可得到預(yù)設(shè)的三維微結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例二
1)繪制預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的三維模型，并做分層處理，使每一分層厚度為0.02mm，得到預(yù)打印微結(jié)構(gòu)的分層信息，導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使其接收板的運(yùn)動(dòng)路徑和分層信息相一致。
2)將聚己內(nèi)酯可以加入六氟異丙醇中溶解，形成15％的溶液，將溶液吸入10ml注射器中，放置在推注泵上，調(diào)整推注速率為0.4mm/min；將交流高壓電源的兩端分別與針頭和接收板相接，調(diào)整交流高壓電源使其輸出為正弦波，有效輸出電壓為3kV，頻率為100Hz，使其在針頭和接收板之間形成交變高壓電場(chǎng)；調(diào)整接收板和針頭的距離為3mm，使被推注出的液滴在交變高壓電場(chǎng)的作用下，形成微小細(xì)流，通過庫侖力的拉伸，進(jìn)一步形成微納米纖維而沉積在運(yùn)動(dòng)的接收板上；調(diào)整接收板的移動(dòng)速率為3m/min，使沉積在接收板上的纖維無扭曲，筆直而連續(xù)；調(diào)節(jié)接收板上的控溫系統(tǒng)，使其恒定在-4℃，該溫度可以使沉積在接收板上的纖維快速固化，在兩根纖維的節(jié)點(diǎn)處起到固定的作用、在相鄰分層之間也起到重要的連接作用。
3)每完成一個(gè)分層的電紡，接收板沿Z軸方向向下下降0.02mm，即一個(gè)分層的厚度，然后繼續(xù)第二分層的電紡，一次重復(fù)循環(huán)直至完成所有分層的電紡，即可得到預(yù)設(shè)的三維微結(jié)構(gòu)。