一种局域电荷辅助电纺直写3D堆叠打印设备及方法

本发明属于微纳制造相关，更具体地，涉及一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备及方法。

背景技术：

1、具有高纵横比的三维微纳结构兼具微纳米材料特异效应和空间组合可设计性，可支撑高透光性、高比面积等高性能基础件的构筑，在微纳制造领域具有广泛的研究价值，并在光学、超材料、微流体控制、集成电子、纳米电子学和生物医疗等领域中发挥着重要作用，具有广阔的前景和商业价值。为了实现三维微纳结构的制造，现有的技术大多采用激光诱导聚合过程。例如，微立体光刻技术通过减少激光光斑直径或使用先进的投影系统，从可固化材料中制造出最小特征尺寸为几微米的三维微纳结构。然而，这些基于激光的三维微纳结构制造技术通常需要昂贵的光学系统和特定的光敏聚合物，这大大限制了它们在工业和学术领域的广泛应用。

2、电流体纺丝直写技术是被广泛使用一种大面积、高分辨率、高打印速度、高材料适用范围、低成本的三维微纳打印技术。电流体纺丝纳米纤维已被广泛应用于包括过滤膜、催化剂、电子器件和生物医学支架。基于近场静电纺丝原理，电流体纺丝直写技术利用带电聚合物液滴在短距离衬底的电场中的强相互作用来形成纳米纤维，通过根据用户特定程序简单地控制集电极的运动，能够实现高精度高分辨率的三维微纳结构打印。根据功能材料的类型，电纺直写技术可分为熔融电纺直写和水性溶液电纺直写两类。相关研究人员也做了一些研究，如sadaf等人用peo溶液制备了的3d堆叠墙体结构(adv.eng.mater.2022,24,2101740)，最大纵横比为191.7±52.6，墨水材料：peo溶液，基板材料：金属；又如lee等人在金属线上制备了纵横比约为100的微纳墙体结构(langmuir 2014,30,5,1210–1214)，墨水材料：peo溶液，基板材料：铂；又如park等人使用0.1wt％nacl，可以构建纳米墙体(nanolett.2020,20,1,441–448)，宽度为92±3nm，高度为6.6±0.1μm，纵横比(高度/宽度)为72，墨水材料：peo+nacl溶液，基板材料：金属；还如zheng等人制备了纵横比(高度/宽度)高达25的3d结构，适用于各种图案，例如矩形网格和五角星(materials and design 198(2021)109304)，墨水材料：peo溶液，基板材料：硅。

3、但是，目前电流体纺丝直写技术在制备高纵横比的微纳结构时仍存在众多缺陷，例如：(1)由于电流体纺丝依靠喷嘴尖端和打印基板之间的电场力来喷射聚合物熔体或溶液，因此电场强度随着打印层的增加而逐渐降低，这一缺点很大程度上限制了打印的高度。(2)当纤维沉积时，由于聚合物纤维固有的低导电性，大量的残留电荷被捕获并积聚在打印结构内，在后续带电射流上引起排斥力，从而导致纤维相互排斥，并在相对较高的印刷层上破坏精密堆叠过程。因此，制造具有高纵横比和有序纤维组织的三维微纳结构仍然是一个重大挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备及方法，其旨在解决现有技术打印方法存在打印结构的高度受限及残留电荷的积累影响打印精度的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，所述打印设备包括气态离子电离装置及喷墨打印装置，所述气态离子电离装置与所述喷墨打印装置相对设置，其包括气态离子喷头及电离电极，所述电离电极设置在所述气态离子喷头内；所述电离电极用于使工作气体电离形成离子，所述气态离子喷头用于将所述离子朝向打印区域喷出以形成气态离子射流，气态离子射流沉积在打印区域；所述喷墨打印装置用于向所述打印区域喷射喷墨射流，所述喷墨射流所携带的电荷的极性与所述气态离子射流所携带的电荷的极性相反。

3、进一步地，所述气态离子电离装置与所述喷墨打印装置同步运动。

4、进一步地，所述气态离子喷头开设有通孔，所述电离电极设置在所述通孔内；所述通孔为气流通路及工作气体电离的场所。

5、进一步地，所述电离电极用于连接电离电源，所述喷墨打印装置包括喷墨电极，所述喷墨电极用于连接喷墨电源；所述电离电源的极性与所述喷墨电源的极性相反；所述喷墨电极与所述打印区域之间形成牵引电场。

6、进一步地，所述气态离子电离装置还包括供气装置，所述供气装置用于向所述通孔内输送工作气体。

7、进一步地，所述喷墨打印装置包括喷墨喷嘴，所述喷墨电极被固定在所述喷墨喷嘴内部并且与供墨电源相连接，且所述喷墨喷嘴内部装有所述工作墨液。

8、进一步地，所述喷墨喷嘴外围需要添加一个加热件。

9、本发明还提供了一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印方法，所述打印方法是采用如上所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备实现的。

10、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备及方法主要具有以下有益效果：

11、1.由于气态正(负)离子射流不断向所述需要打印的位置输送并沉积与墨液相反的电荷，原本墨液带有的电荷沉积后会与离子射流积累的电荷不断中和，牵引电场不会因打印结构的高度和残留电荷的积累而衰减，从而能够实现对三维堆叠微纳结构进行高精度、高分辨率、高纵宽比的电流体动力喷墨打印。

12、2.通过控制所述气态离子电离装置和所述喷墨打印装置相对于绝缘基板的位置，使所述气态正(负)离子射流携带电荷不断沉积在最上层的纤维上，因此牵引电场不会因打印高度的增大而衰弱，从而能够实现较高结构的打印，并且由于每一层打印的喷墨射流线宽较小，从而可以实现高纵横比的三维微纳结构的制造。

13、3.本发明通过控制打印参数可以实现较大高纵横比值范围内的三维微纳结构的打印，打印的三维微纳结构能够达到高约945.96um，线宽约1.24um，高宽比约762.87，具有十分优异的纵横比。

14、4.本发明采用气态离子喷头，电离后的气态离子在喷出后会逐渐扩散，在已打印的结构上较大面积沉积电荷，能够实现3d打印，并对三维已打印结构整体进行电荷沉积中和，使整个三维结构都带某种极性的电荷。

技术特征：

1.一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：

2.如权利要求1所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述气态离子电离装置与所述喷墨打印装置同步运动。

3.如权利要求1所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述气态离子喷头开设有通孔，所述电离电极设置在所述通孔内；所述通孔为气流通路及工作气体电离的场所。

4.如权利要求3所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述电离电极用于连接电离电源，所述喷墨打印装置包括喷墨电极，所述喷墨电极用于连接喷墨电源；所述电离电源的极性与所述喷墨电源的极性相反；所述喷墨电极与所述打印区域之间形成牵引电场。

5.如权利要求3所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述气态离子电离装置还包括供气装置，所述供气装置用于向所述通孔内输送工作气体。

6.如权利要求4所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述喷墨打印装置包括喷墨喷嘴，所述喷墨电极被固定在所述喷墨喷嘴内部并且与供墨电源相连接，且所述喷墨喷嘴内部装有所述工作墨液。

7.如权利要求6所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备，其特征在于：所述喷墨喷嘴外围需要添加一个加热件。

8.一种局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印方法，其特征在于：所述打印方法是采用权利要求1-7任一项所述的局域电荷辅助电纺直写3d堆叠打印设备实现的。

技术总结本发明属于微纳制造相关技术领域，其公开了一种局域电荷辅助电纺直写3D堆叠打印设备及方法，打印设备包括气态离子电离装置及喷墨打印装置，气态离子电离装置包括气态离子喷头及电离电极，电离电极设置在气态离子喷头内；电离电极用于使工作气体电离形成离子，气态离子喷头用于将离子朝向打印区域喷出以形成气态离子射流，气态离子射流沉积在打印区域；喷墨打印装置用于向打印区域喷射喷墨射流，喷墨射流所携带的电荷的极性与气态离子射流所携带的电荷的极性相反。本发明的牵引电场不会因打印结构的高度和残留电荷的积累而衰减，从而能够实现对三维堆叠微纳结构进行高精度、高分辨率、高纵宽比的电流体动力喷墨打印。技术研发人员：叶冬,曾明涛,蒋宇,黄永安受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27