[发明专利]一种微纳尺度3D打印机及方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造和微纳制造技术领域，具体涉及一种微纳尺度3D打印机及方法。

背景技术

微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料(超材料、轻量化材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等)、新能源(太阳能电池、微型燃料电池等)、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、可穿戴电子、嵌入式电子、光电子和柔性电子等众多领域对于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求。然而，现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面均难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业化应用的需求，例如从技术层面，现有的诸如光学光刻、电子束光刻、干涉光刻、激光微细加工、软光刻、纳米压印光刻等微纳制造技术主要实现2D或者2.5D微纳结构(简单几何图形)制造，难以实现复杂真三维微纳结构的制造；此外，现有的这些微纳制造方法还面临设备和掩模(或者模具)昂贵、制造成本高、周期长、可用材料种类少等问题。微纳尺度3D打印对于以上难题提供了一种全新的解决方案，并且已经显示了巨大的工业化应用前景。

微纳尺度3D打印(亦称为微纳增材制造)是一种基于增材原理制造微纳结构或者功能性产品(具有微纳特征)的新型微纳加工技术，与现有微纳制造技术相比，它具有成本低、结构简单、可用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构、复合(多材料)材料微纳结构、宏/微复合结构以及嵌入异质结构制造方面具有非常突出的潜能和优势。微纳尺度3D打印目前已经被用于航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源(燃料电池、太阳能等)、柔性电子、印刷电子、微纳光学器件、微流控器件等众多领域和行业

但是，现有的各种微纳尺度3D打印工艺面临一些不足和一定的局限性。例如微立体光刻打印材料单一，分辨率较低，尤其对于必须支撑材料的结构难以实现打印；双光子聚合激光直写分辨率虽然很高，但是打印材料和成形零件的尺寸受限，无法实现宏/微跨尺度制造，而且成本非常高。尤其是现有的微纳3D打印还面临支撑去除困难的问题。因此，迫切需要开发新型微纳尺度3D技术、工艺、材料和装备。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种微纳尺度3D打印机及方法，本发明基于电流体动力喷射打印(亦称为电喷印)，打印多种功能性材料(导电材料、绝缘材料、高粘度材料、金属材料等)，并结合采用离型材料和水溶性支撑材料，实现低成本、高效、高分辨率的宏/微/纳跨尺度复杂真三维结构打印，解决微纳3D打印分辨率低、可打印材料种类少以及支撑去除困难等难题，尤其是解决了目前微纳尺度3D打印技术在成本、材料、分辨率、宏/微跨尺度制造、去支撑等方面的不足和局限性。

本发明的一个目的是提供一种基于电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现可用于多种材料微纳结构的高效、低成本、大面积制造。电喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。其基本原理：在导电喷嘴(第一电极)和导电基板(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以及稳定的锥射流，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。

本发明基于提供的电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现可打印材料范围广泛，不受材料粘度、介电性能等因素影响。实现了从无机材料到有机材料，从绝缘材料到导电材料，从溶液到悬浊液等多种材料三维结构的高分辨率打印，打破了现有微尺度3D打印技术打印材料种类受限的瓶颈。此外，打印材料的粘度几乎不受限制。

本发明基于提供的电喷印微纳尺度3D打印机，能够实现三维结构的跨尺度制造，仅通过调节工艺参数(电压、喷嘴与基材距离、喷射频率、工作台移动速度等)，便可在同一打印喷头下实现复杂三维结构的宏尺度、微尺度乃至纳尺度的跨尺度高分辨率打印。

本发明的再一个目的为提供一种电喷印微纳尺度3D打印方法，在微结构或者电子产品生产的过程中容易去除支撑。采用在支撑结构和模型结构之间打印离型材料的方法，并采用水溶性支撑材料(如PVA等)，实现了支撑结构的有效简单剥离，大大简化了后处理过程，获得的产品表面品质好，更适用于制造必须使用支撑结构的微零件或微结构。