本發(fā)明涉及靜電打印，具體涉及一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)與方法。

背景技術(shù)：

1、靜電打印技術(shù)是一種基于電流體動力牽引墨水噴射沉積的微納增材制造技術(shù)，通過在噴嘴施加上千伏的高電壓，使噴嘴和接地的接收基底之間形成強電場，利用電場力將墨水“拉”出噴嘴，形成泰勒錐，產(chǎn)生遠(yuǎn)小于噴嘴直徑的射流，可以高分辨率、可控地打印微納結(jié)構(gòu)，在微納電子、生物組織工程等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

2、在現(xiàn)有的靜電打印技術(shù)中，常采用施加周期性脈沖交流電壓和引入電極環(huán)(名稱為“可抑制射流干擾的直列式電流體打印噴頭及打印方法”的專利申請，公開號：cn112644178b)、靜電透鏡(名稱為“一種靜電聚焦電流體噴印裝置及方法”的專利申請，公開號：cn109532242b)形成梯度電場的方法，以增強噴嘴與接收基底間的電場強度，提高靜電打印的穩(wěn)定性，但這種方法難以在厚度變化大的絕緣曲面基底上奏效。也有專利(名稱為“一種電場-流場混合控制的電流體噴印方法及裝置”的專利申請，公開號：cn108340681b)在噴頭的下方形成聚焦式的穩(wěn)定的流體流場，以克服常規(guī)電流體噴印在絕緣基底或自由曲面基底上無法打印的問題，但這種方法并未從本質(zhì)上消除殘余電荷的影響。還有專利(名稱為“一種片狀等離子體驅(qū)動的陣列化電流體噴印裝置及方法”的專利申請，公開號：cn116198221b；名稱為“一種基于等離子體的防串?dāng)_陣列化電流體噴印裝置及方法”的專利申請，公開號：cn115972769b)提出等離子體驅(qū)動的電流體噴印方法，利用施加脈沖電壓產(chǎn)生的交替正、負(fù)等離子體轟擊目標(biāo)表面，使絕緣基底帶電以形成電場，實現(xiàn)在絕緣基底上靜電打印，這種方法有效地避免了產(chǎn)生殘余電荷的問題，但正、負(fù)電壓的交替變化會導(dǎo)致電場強度的波動，影響泰勒錐的穩(wěn)定性。

3、綜上所述，受高壓電場的限制，靜電打印很難在厚的絕緣基底上或表面輪廓高度變化大的絕緣基底上穩(wěn)定打?。阂环矫妫妶鰪姸入S噴嘴與接地基底間距離的增大而降低，無法為靜電打印提供足夠的電場牽引力；另一方面，接高電壓的噴嘴感應(yīng)出的電荷和沉積墨水內(nèi)部殘余的電荷會積累在絕緣表面且無法轉(zhuǎn)移，在后續(xù)打印中引起對墨水的靜電排斥，影響靜電打印的連續(xù)性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供了一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)與方法，利用離子風(fēng)在絕緣表面構(gòu)建虛擬接地電極，解決因打印高度變化及絕緣表面電荷積累導(dǎo)致打印過程中電場不穩(wěn)定的問題，提高靜電打印對絕緣材質(zhì)目標(biāo)基底的適用性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，包括靜電打印噴頭1，靜電打印噴頭1外側(cè)和離子風(fēng)發(fā)生模塊2同軸連接；靜電打印噴頭1上部的入口與驅(qū)動氣壓源101連接，靜電打印噴頭1底部的噴嘴102和高壓電源103連接；離子風(fēng)發(fā)生模塊2內(nèi)置離子化電極201，施加高電壓后產(chǎn)生正負(fù)離子，經(jīng)氣流帶動形成離子風(fēng)，聚焦于噴嘴102下方的打印區(qū)域內(nèi)，使絕緣基底3表面始終處于近似零電勢狀態(tài)，形成虛擬接地電極。

4、所述的噴嘴102為導(dǎo)電噴嘴，選擇不銹鋼針頭或鍍金玻璃針；噴嘴102的外層涂覆絕緣材料，絕緣材料選擇橡膠或硅膠。

5、所述的靜電打印噴頭1內(nèi)裝填功能墨水104，為含金、銀、銅的金屬納米顆粒的導(dǎo)電功能墨水，或是含碳納米管、銀納米線、mxene的納米材料的傳感功能墨水。

6、離子風(fēng)發(fā)生模塊2頂部設(shè)有氣流入口202，內(nèi)部連接有離子化電極201，底部設(shè)有氣流出口203；離子風(fēng)發(fā)生模塊2內(nèi)部連接有2個以上的離子化電極201，離子化電極201圍繞中心的靜電打印噴頭1呈環(huán)形同軸均布，其施加高電壓為交流或正、負(fù)直流形式，幅值范圍為1kv-50kv，交流電頻率為1hz-1000hz；每兩個離子化電極201之間設(shè)有一個氣流入口202，氣流從氣流入口202通入離子風(fēng)發(fā)生模塊2，從氣流出口203吹出離子風(fēng)，通入氣體為空氣、氮氣或氬氣。

7、所述的氣流出口203流道向內(nèi)傾斜，傾斜角度為15°-75°，聚焦于噴嘴102處，使吹出的離子風(fēng)匯集在打印區(qū)域內(nèi)；氣流出口203距噴嘴102不少于30mm。

8、所述的絕緣基底3為平面基底或曲面基底，材質(zhì)為玻璃、塑料、硅橡膠、紙或織物，絕緣基底3表面距底面高度范圍為1mm-1m。

9、所述的靜電打印噴頭1和離子風(fēng)發(fā)生模塊2安裝在三軸及以上的運動模組或多軸機械臂上。

10、利用所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

11、1)調(diào)整靜電打印噴頭1沿z方向的位置，使噴嘴102處于離子風(fēng)的聚焦區(qū)域內(nèi)，固定靜電打印噴頭1與離子風(fēng)發(fā)生模塊2的相對位置；

12、2)開啟離子風(fēng)發(fā)生模塊2，通入氣流，吹出含有正負(fù)離子的離子風(fēng)，使絕緣基底3表面的打印區(qū)域內(nèi)形成虛擬接地電極；

13、3)開啟驅(qū)動氣壓源101，功能墨水104從噴嘴102擠出，至擠出流量穩(wěn)定時，設(shè)置打印工藝參數(shù)；

14、4)開啟高壓電源103，噴嘴102處施加高電壓處于高電勢狀態(tài)，與絕緣基底3表面的虛擬接地電極之間形成穩(wěn)定的電場，功能墨水104受電場力牽引形成泰勒錐，沉積在絕緣基底3上；

15、5)靜電打印噴頭1與離子風(fēng)發(fā)生模塊2按預(yù)設(shè)的打印軌跡移動，同時離子風(fēng)發(fā)生模塊2持續(xù)吹出離子風(fēng)，維持絕緣基底3目標(biāo)表面的虛擬接地狀態(tài)，保證在絕緣表面上穩(wěn)定靜電打印。

16、所述的步驟3)打印工藝參數(shù)包括施加電壓、平臺移動速度、打印接收距離、驅(qū)動氣壓及離子風(fēng)速。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

18、1、本發(fā)明突破了靜電打印對絕緣基底高度的限制，可在任意高度的絕緣基底表面利用離子風(fēng)輔助構(gòu)建虛擬接地電極，使絕緣基底表面與噴嘴之間形成穩(wěn)定的電場，其電場強度將取決于噴嘴處施加的電壓值，無需根據(jù)絕緣基底高度動態(tài)調(diào)整電壓。虛擬接地電極可在任意形狀的目標(biāo)表面形成，極大地提高在曲面絕緣表面進行靜電打印的穩(wěn)定性和打印分辨率。

19、2、本發(fā)明降低了在絕緣基底表面靜電打印對施加電壓值的要求，可有效消除殘余電荷。在絕緣基底上，相比常規(guī)靜電打印中需要施加數(shù)千伏電壓形成強電場才能提供足夠的電場牽引力，本發(fā)明可將所需電壓值降為常規(guī)靜電打印的1/4至1/3，極大提高了打印過程中的安全性。同時，施加電壓的降低也減少了絕緣基底表面感應(yīng)出的或積累的殘余電荷，有利于減少靜電打印過程中的電荷排斥現(xiàn)象。

20、3、本發(fā)明離子風(fēng)發(fā)生裝置的同軸設(shè)計保證了噴嘴附近打印區(qū)域虛擬接地狀態(tài)的一致性，尤其針對曲面表面的靜電打印，可使離子風(fēng)均勻吹在任意形狀的絕緣曲面上，同時最大程度地減小打印過程中的運動干涉。

技術(shù)特征：

1.一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括靜電打印噴頭(1)，靜電打印噴頭(1)外側(cè)和離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)同軸連接；靜電打印噴頭(1)上部的入口與驅(qū)動氣壓源(101)連接，靜電打印噴頭(1)底部的噴嘴(102)和高壓電源(103)連接；離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)內(nèi)置離子化電極(201)，施加高電壓后產(chǎn)生正負(fù)離子，經(jīng)氣流帶動形成離子風(fēng)，聚焦于噴嘴(102)下方的打印區(qū)域內(nèi)，使絕緣基底(3)表面始終處于近似零電勢狀態(tài)，形成虛擬接地電極。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的噴嘴(102)為導(dǎo)電噴嘴，選擇不銹鋼針頭或鍍金玻璃針；噴嘴(102)的外層涂覆絕緣材料，絕緣材料選擇橡膠或硅膠。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的靜電打印噴頭(1)內(nèi)裝填功能墨水(104)，為含金、銀、銅的金屬納米顆粒的導(dǎo)電功能墨水，或是含碳納米管、銀納米線、mxene的納米材料的傳感功能墨水。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)頂部設(shè)有氣流入口(202)，內(nèi)部連接有離子化電極(201)，底部設(shè)有氣流出口(203)；離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)內(nèi)部連接有2個以上的離子化電極(201)，離子化電極(201)圍繞中心的靜電打印噴頭(1)呈環(huán)形同軸均布，其施加高電壓為交流或正、負(fù)直流形式，幅值范圍為1kv-50kv，交流電頻率為1hz-1000hz；每兩個離子化電極(201)之間設(shè)有一個氣流入口(202)，氣流從氣流入口(202)通入離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)，從氣流出口(203)吹出離子風(fēng)，通入氣體為空氣、氮氣或氬氣。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的氣流出口(203)流道向內(nèi)傾斜，傾斜角度為15°-75°，聚焦于噴嘴(102)處，使吹出的離子風(fēng)匯集在打印區(qū)域內(nèi)；氣流出口(203)距噴嘴(102)不少于30mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的絕緣基底(3)為平面基底或曲面基底，材質(zhì)為玻璃、塑料、硅橡膠、紙或織物，絕緣基底(3)表面距底面高度范圍為1mm-1m。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的靜電打印噴頭(1)和離子風(fēng)發(fā)生模塊(2)安裝在三軸及以上的運動模組或多軸機械臂上。

8.利用權(quán)利要求1-7任一項所述的一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于：所述的步驟3)打印工藝參數(shù)包括施加電壓、平臺移動速度、打印接收距離、驅(qū)動氣壓及離子風(fēng)速。

技術(shù)總結(jié)
一種離子風(fēng)輔助的絕緣基底表面微納結(jié)構(gòu)靜電打印噴頭結(jié)構(gòu)與方法，包括靜電打印噴頭，靜電打印噴頭外側(cè)和離子風(fēng)發(fā)生模塊同軸連接；靜電打印噴頭上部的入口與驅(qū)動氣壓源連接，靜電打印噴頭底部的噴嘴和高壓電源連接；離子風(fēng)發(fā)生模塊內(nèi)置離子化電極，施加高電壓后產(chǎn)生正負(fù)離子，經(jīng)氣流帶動形成離子風(fēng)，聚焦于噴嘴下方的打印區(qū)域內(nèi)，使絕緣基底表面始終處于近似零電勢狀態(tài)，形成虛擬接地電極；本發(fā)明利用離子風(fēng)在絕緣表面構(gòu)建虛擬接地電極，解決因打印高度變化及絕緣表面電荷積累導(dǎo)致打印過程中電場不穩(wěn)定的問題，提高靜電打印對絕緣材質(zhì)目標(biāo)基底的適用性。

技術(shù)研發(fā)人員：賀健康,岳峻宇,魚琨,李滌塵
受保護的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6