基于电场驱动喷射微3D打印的曲面透明电加热玻璃技术

为了解决高性能曲面透明电加热玻璃制造工艺复杂和制备成本高的问题,提出了一种基于电场驱动喷射微3D打印制造曲面透明电加热玻璃的新方法,并阐述了该工艺流程;通过实验揭示了主要打印参数对制造曲面透明电加热玻璃银线线宽的影响规律;使用优化的打印参数在曲面透明玻璃上制备了有效加热面积为35 mm×40 mm,线宽为90μm,周期为3000μm,附着力为4B,透光率为90%,电阻为1.6Ω,银线为金属网栅结构的曲面透明电加热玻璃。实验结果表明,该打印方法工艺简单,利用该方法制造的曲面透明电加热玻璃具有附着力好、透光率高和加热性能良好等优点,为实现低成本、高性能的曲面透明电加热玻璃的工业化制造提供了一种全新的解决方案。

基于电场驱动喷射微纳3D打印的生物支架制备工艺

支架的结构与规格对于细胞的形态具有完全不同的影响,其规格尺寸与细胞特征尺寸(如神经细胞,胞体尺寸一般为20μm)的符合程度是衡量生物支架性能的关键指标,但是,目前的技术在制备小孔径、结构均匀的多层生物支架领域中仍存在一系列问题。因此,提出了一种基于电场驱动喷射微纳3D打印技术(EFD)和对称打印原理制备小孔径、结构均匀的多层生物支架的新方法,通过实验分析电压、速度、背压等工艺参数对打印结果的影响,优化多层生物支架的打印方案,最后,将聚乳酸(PLA)作为打印材料,成功制备纤维直径为20μm、周期为60μm、孔径为40μm的组织工程支架。

基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题。基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数(电压、气压,打印速度)对制备的不同类型微透镜形貌与质量的影响与规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,在玻璃基底上分别实现了面积为120 mm×120 mm、100 cm×45 cm的圆形与柱状微透镜阵列的制造,在柔性PET基底上实现了面积为160mm×160mm的圆形微透镜阵列的制造,利用电场驱动喷射微3D打印的多层打印模式实现了折射率梯度变化范围为0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。实验结果表明,制备的微透镜阵列具有良好的几何与光学性能,基于电场驱动喷射微3D打印大面积、多类型微透镜阵列制造方法具有效率高、成本低、批量化的显著优势,为大面积多类型微透镜阵列制造提供了一种全新的解决方案。

电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术及应用

微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、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、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、软体机器人等诸多领域和行业有着非常广泛的应用。介绍了课题组近年提出并建立的一种微纳尺度增材制造新工艺——电场驱动喷射沉积微纳3D打印,并论述了近年研究进展和取得的重要成果,介绍了5个工程应用案例。电场驱动喷射沉积微纳3D打印为微纳尺度3D打印和微纳制造提供了一种全新的解决方案,具有良好的工业化应用前景。

电场驱动熔融喷射微尺度3D打印微结构

提出了一种基于电场驱动喷射沉积3D打印的新方法来加工高分辨率结构,结合数值模拟与实验研究,揭示了其成形原理与喷射规律。通过优化工艺参数,使用内径250μm的喷嘴,在玻璃衬底上打印出点直径20μm的微图案,验证了电场驱动熔融喷射在微尺度3D打印上的可行性。

基于电场驱动熔融喷射3D打印大面积聚甲基丙烯酸甲酯微结构制造方法

针对大面积聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微结构低成本制造的难题以及高分辨率PMMA成型的实际需求,提出一种基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印实现大面积PMMA微结构高效低成本制造的新方法。通过高速摄像机实验观测和系列打印实验研究,揭示了主要工艺参数对于成型过程、打印分辨率、打印质量的影响和规律,优化的工艺参数范围为:电压1200~1300 V,气压3~10 kPa,打印高度200~400μm,打印速度5~20 mm/s,材料加热温度210~230℃。利用提出的新方法,结合优化出的工艺参数,采用内径250μm的喷嘴,实现了最小特征尺寸15μm、图形面积70 mm×70 mm大尺寸微模具以及高宽比达到9∶1大面积复杂微结构和组织工程支架的制造。

电场驱动μ-3D打印蜡基微流控模具

提出了一种基于电场驱动微尺度3D打印制备蜡基材料微结构的工艺。通过脉冲直流产生自激发静电场驱动皮升级体积石蜡微滴喷射沉积成形;研究了打印参数如气压、电场强度、脉冲频率及占空比等因素对于蜡模打印的影响;优化实验参数,制作了可用于PDMS转印的石蜡微模板,模板线宽为61.25μm,高度为44.13μm;结合微转印技术和等离子改性技术制作了微米级微流道芯片样件,并通过实验验证了其具备微流控芯片的基本特征。

电场驱动喷射高粘度导电材料的3D打印机理研究

为了实现高粘度导电材料在3D打印制造嵌入式封装电子产品中的高精度打印,本文通过理论分析与实验验证相结合的方法,揭示了喷嘴结构与电场对流体流速与液滴形态的影响,最终得出相同气压下,喷嘴尖端处越短,截面收缩越大,液体流速越快;电场除了对液滴有收缩形成泰勒锥的作用,还会影响液体流速;对于超高粘度导电材料的打印,对打印结果影响最大的因素是气压与平台移动速度,在一定气压与电压范围内,打印均能实现,而通过调整平台移动速度可改善喷印质量。研究成果对改善高粘度导电材料的3D打印形貌、成型精度和可控性提供了理论基础和方向指导。

基于EHD微尺度3D打印喷射机理与规律研究

基于电流体动力学(EHD)微尺度3D打印(电流体动力喷射打印或电喷印)的成形机理复杂,成形影响因素较多,首先对泰勒锥的受力状况进行了理论分析,然后用有限元数值模拟和实验方法进行验证,探索了该微尺度3D打印方法的喷射机理,并揭示了电压、压力对锥射流喷射性能的影响规律。结果表明,电压越大,锥形越短;入口压力越大,锥形越长,同时也表明了在一定的电压和气压范围内喷印均可以正常进行,而不是特定的电压或气压,从而可以通过调节电压和气压改善锥射流及喷印质量。用光固化树脂材料进行的喷印实例中获得了较好的喷印质量。

基于正交试验设计的喷射式3D打印过程微滴可成形性研究

在喷射式3D打印过程中,要求材料以单个微滴的形式连续喷出并按指定路径逐滴进行堆积,但材料喷射可成滴性受驱动气压、压力作用时间及材料粘度等因素的影响,难以直接找到一组合适的参数组合进行打印.本文采用正交试验法研究各因素对材料喷射可成滴性的影响规律,并利用数值模拟进行验证,结果表明,在给定喷头几何参数的情况下,利用本文制定的方法可以较为简易地获得满足微滴喷射的最佳打印参数,可有效地缩短打印的准备周期及参数调整周期.

平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印方法和规律研究

电流体动力喷射打印较低的效率已成为制约其从实验室走向广泛工业化应用的主要技术瓶颈之一,针对这一挑战性难题,提出一种平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印新工艺,论述了平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印的基本原理。搭建一种阵列化喷头制造装置,实现高精度阵列化喷头的快速制造;利用COMSOL仿真软件,分析了阵列化喷头的电场分布以及喷嘴间的高度差、内径差等对电场强度的影响;通过实验,揭示了主要工艺参数(施加电压、气压、打印速度)对于打印精度(线宽)和一致性的影响规律;最后,基于提出新方法并结合优化的工艺参数,分别使用单/双/三喷嘴喷头制造了面积80 mm×80 mm,周期500μm,线宽20μm的透明电极,分别耗时86.1 min、45.2 min、29.1 min,并对其光电性能进行测量和表征,网栅透光率(波长550 nm)分别为91.14%、91.07%、90.43%,相应的方阻分别为4.07Ω/sp、3.85Ω/sp、3.47Ω/sp,在不牺牲光电性能的前提下,大幅提高了生产效率。研究结果显示,提出的平板电极电场驱动多喷头喷射微3D打印为大面积微结构高效低成本制造提供了一种具有工业应用前景的全新解决方案。

微喷射3D打印设备喷射系统调控与试验检测分析

微喷射3D打印技术因其低廉的设备和材料成本,受到了越来越多的关注。喷头喷射系统是微喷射3D打印设备开发的重点研究对象。本文主要研究了微喷射3D打印中喷射系统的机械结构和控制方案。通过主控电路板检测增量式编码器的脉冲信号,并给喷头控制板发送有纸低电平,检测喷头打印装置和运动装置的相互配合。最后,通过试验对喷射系统进行了检测,发现设备长时间的打印测试中,打印过程流畅,运行平稳;样品精度较高,打印效果比较理想。

电场驱动复合微纳3D打印低频透明电磁屏蔽玻璃

为解决大面积高性能低频透明电磁屏蔽玻璃难以低成本批量化制造的挑战性问题,提出一种基于电场驱动微喷射和电镀的复合增材制造新方法,用于制备银镍复合金属网栅低频透明电磁屏蔽玻璃,阐述了制备银镍复合金属网栅的基本原理和工艺流程;通过实验揭示了主要工艺参数(打印电压、打印速度、打印气压、打印高度、电流密度、电镀时间)对制备银镍复合金属网栅电学性能、光学性能的影响规律;并结合优化的工艺参数,制备了线宽10μm、方阻0.76?/sq、网栅透过率90.2%、在低频波段(10 kHz~30 MHz)屏蔽效能大于40 dB的银镍复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃,复合金属网栅与衬底的黏附力为5B,实现了高屏蔽效能和高透过率电磁屏蔽金属网栅的制造,为高性能低频透明电磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了全新的解决方案。

高性能电加热玻璃3D打印与微转印复合制造工艺

为了解决透明电加热玻璃制造技术难以兼顾电加热玻璃加热线的透光率、导电性以及附着力的问题,开发了一种可低成本、批量化实现高性能电加热玻璃制造的复合工艺。该工艺采用电场驱动熔融喷射沉积(Electric-field-driven Fusion Deposition,EFD)3D打印和UV辅助微转印复合制造透明电加热玻璃。根据复合制造工艺原理,选择及配制了EFD 3D打印、UV辅助微转印介质以及加热线材料。通过具体实验揭示了主要工艺参数对制造透明电加热玻璃加热线结构参数的影响以及规律,并确定了复合制造工艺的最佳工艺窗口。依据最优工艺参数实现了有效图案化面积为60mm×70mm,线宽为15μm,高宽比为0.7,周期为1 000μm,透光率为88%,方阻为0.5Ω/sq,附着力为4B级,加热线为线栅结构的透明电加热玻璃制造。实验结果表明:利用EFD 3D打印和UV辅助微转印复合工艺制造的透明电加热玻璃具有透光率高、方阻低及附着力高等优势。该复合工艺为实现低成本、高性能的电加热玻璃的批量化制造提供了全新的解决方案。

电场驱动喷射沉积微纳3D打印及其在先进电路和电子制造中的应用

微纳3D打印是近年出现的一种颠覆性新技术,经过10多年的迅猛发展,国内外学者已经提出10多种微纳3D打印工艺,但现有微纳3D打印大都面临打印材料和基材的普适性和兼容性差、大面积宏/微跨尺度结构制造困难、生产成本高,尤其是还存在成形效率(尺寸)和打印精度相矛盾的挑战性难题。经过近10年的研究与技术攻关,提出并建立了一种电场驱动喷射沉积微纳3D打印新技术,围绕该技术在基础理论、数值模拟、关键技术和装备、打印材料、实验研究和工艺优化、工程应用等方面开展了较为系统和深入研究。主要综述了电场驱动喷射沉积微纳3D打印基本原理和近年取得重要进展,尤其是系统介绍了该技术在先进电路和电子制造中的典型应用,旨在为先进电路和电子的制造提供了一种低成本、普适性好的具有工业化应用前景的全新解决方案。

尼龙全彩3D打印用黏结剂的基础实验研究

为实现尼龙材料的全彩3D打印,提出将在常温下可溶解尼龙的低腐蚀性、低毒性、低黏度溶剂作为打印“墨水”,结合目前彩色3D打印技术最先进的技术方案——微滴喷射(3DP)技术,使尼龙粉末在溶剂作用下选择性溶解,待溶剂挥发之后结晶成型,如此逐层往复打印,实现彩色尼龙零件。通过在尼龙溶解试验的基础上,分析打印机环境、溶剂毒性、挥发性和溶解度等因素,选择较为合适的溶剂(三氟乙醇)作为“墨水”,并在全彩3D打印机上成功实现了尼龙粉末的彩色3D打印。

基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印

现有微纳3D打印在实现多材料、宏/微跨尺度等方面面临诸多挑战性难题.本文提出了一种基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印新工艺,它不再将打印喷嘴作为电极,只需平板电极与高压电源正极(或负极)连接.通过理论分析和数值模拟,揭示了其成形机理;通过系统实验研究,验证了喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)、打印材料(导电和非导电)任意组合稳定打印的有效性;进一步通过3个典型实验案例:线宽1.139μm的高宽比46.8:1微"墙"结构、高性能透明电极、精准可控的三维生物支架,证明了该方法在高分辨率、多材料和宏/微跨尺度打印方面独特的技术优势.该方法为微纳3D打印提供了一种低成本、高普适性的全新解决方案.

电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.

气动式微滴按需喷射装置的建模与仿真

为了研究气动式微滴喷射装置的数字模型和工作机理,建立喷射装置的理论模型,分析影响腔内压力震荡频率的因素.基于AMESim仿真平台建立喷射装置物理仿真模型,研究控制参数对喷射装置腔内压力的影响,以明确微滴按需喷射的实现条件.结果表明,喷射装置符合空腔谐振模型,且腔内压力振动特性只与结构参数有关,得到了实现微滴按需喷射的条件,腔内压力振动频率理论和仿真结果吻合较好.

电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印

针对传统熔融沉积成型面临的成型精度低和打印材料受限,基于电流体动力熔融沉积在成形高度、材料种类、基板导电性和平整性、3D成形能力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精准沉积来形成高分辨率结构.引入两种新的打印模式:脉冲锥射流模式和连续锥射流模式,拓展了可供打印材料的种类和范围.通过理论分析、数值模拟和实验研究,揭示了所提出工艺的成形机理、作用机制以及成形规律.利用提出的电场驱动熔融喷射沉积3D打印方法,结合优化工艺参数,完成了三个典型工程案例,即大尺寸微尺度模具、大高宽比微结构、宏微跨尺度组织支架和网格三维结构.其中采用内径250μm喷头,打印出最小线宽4μm线栅结构,高宽比达到25∶1薄壁圆环微结构.结果表明,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印具有打印分辨率高、材料普适性广、宏/微跨尺度的突出优势,为实现低成本、高分辨率熔融沉积3D打印提供了一种全新的解决方案.