电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印关键技术研究

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针对传统熔融喷射沉积技术存在成型分辨率、打印材料和平整性等方面的不足和局限性,本研究提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印新工艺,其采用双加热集成式喷头并施加单极脉冲高电压(单电势),利用电场驱动微量热熔融材料喷射并通过其成型时具有的自对正效应,完成精准沉积,实现高分辨率3D打印。本文基于所提出的电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印技术,展开打印成型原理分析,模拟喷射及自对正效应的电场分布,研发电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印机,探究工艺参数影响规律,并进行典型工程案例打印,主要的工作研究与创新之处如下:  (1)提出一种全新的电场生成方式,在喷嘴处施加高压电,不需要施加对地电极,利用静电感应,使得打印基底表面产生感应电荷并发生电荷移动重新排列,最终在打印基底与喷嘴之间形成喷射电场。此种电场形成方式适用各种材料基底以及打印材料,这极大的拓宽了该技术的应用范围。  (2)根据不同打印材料以及表面张力,提出并定义两种不同打印模式,脉冲锥射流模式与连续锥射流模式,分别实现逐点按需喷印,图案化打印与连续细丝打印,提高打印效率。  (3)通过模拟仿真,得出电场分布与温度场分布。仿真结果一方面展示喷嘴周围与打印基底处的电场强度,揭示熔滴在电场中的受力方向,另一方面,展示了研发制作的双加热一体化集成喷头中的温度分布,得出打印材料在喷头中的加热趋势,以此来论证该技术的可行性与创新性。  (4)提出自对正效应,并通过不同情况下电场分布模拟与对比试验,验证该技术自对正效应的正确性。通过该效应可以弥补喷头在打印过程中的微量偏移,喷射细丝在打印过程中会偏向距离喷嘴最近处的打印实体进行打印,完成高精度、高深宽比打印。  (5)针对电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印的技术特点,设计研发一整套新的 3D 打印机,用于熔融材料高分辨率三维制造。打印机喷头为双加热一体化集成式喷头,将加热机构分为料筒加热与针头加热,更有利于打印材料保持原有性能,并保证打印过程稳定可靠。  (6)通过系统的实验验证,进行工艺参数优化,得出工艺参数对打印过程的影响,并最终使用该技术,打印制作针对不同应用领域的微尺度结构,其中包括最小线宽为4μm、整体尺寸为80mm×80mm的大尺寸微尺度模具、最大高宽比为25:1 的大高宽比微结构、微尺度网格三维结构生物支架与单细胞培养板、液体微透镜模具和微液滴石蜡图案。
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