原创压电打印头实现超高粘度浆料的3D打印

     近日，北京航空航天大学、清华大学、北京科技大学、北京派和科技股份有限公司、佛山（华南）新材料研究院联合撰文展示了一款原创的采用单个多层压电陶瓷高速打印头，可实现胶水、银浆、陶瓷浆料、食品等各类高粘度液体或固体颗粒混合液体的高频、高速、高精度3D打印。

   佛山（华南）新材料研究院孵化企业广东君璟科技有限公司开发出3轴-5轴直写式光固化3D打印设备，可根据客户要求选配不同规格的3D打印头，如：压电打印头、螺杆式打印头、气动打印头等。其中，本论文搭载的是派和科技自主研发的单陶瓷5000系列压电打印头，打印头可实现分区域独立加热，储料桶可加热到180°C，喷嘴与流道可加热到200°C，最小液滴可到0.16mm，可通过电控微调液滴高宽比。

   文中的实验表明，该系统对液体石蜡的最小喷射体积约为14.4 nL，液滴间体积误差不超过8%，位置精度误差小于6μm，角度轨迹误差约为0.17度。可见三轴精密运动系统装夹高精度、高速度压电打印头，附带切片等运动算法，机台具有稳定的控制系统，运动轨迹精度高，这在直写式的固化成型方面具有显著优势。不同于DLP或SLA其它光固化打印设备，该DIW选配不同打印头，几乎适合所有浆料打印，对于高校课题组开发各类3D打印材料非常有帮助。

液体石蜡的液滴成型，量筒内累计800000个液滴

    此外，文中还制备和打印了液体石蜡、蜂蜜、UV聚合物、环氧树脂、银浆和陶瓷浆料等，其粘度范围跨度了4个数量级(21-665 320 cps)，如下图a所示。通过调节不同控制参数最终实现不同粘度的液体喷射，成果如下图b-e所示，可见液体蜡喷射到玻璃上，蜂蜜打印在巧克力上，环氧树脂、UV树脂液滴阵列打印在玻璃上并进行固化；下图f-i中，银浆以单个液滴和线条进行印刷，固化后可实现通电；下图j-k中，陶瓷浆料可打印交叉复杂的形状并固化成型, 打印精度和效果远高于国内外同类型设备。

不同材料3D打印效果（UV胶、树脂、食品、银浆、陶瓷浆料等）

   该成果以“基于单叠层压电陶瓷的高速喷射阀的设计计算”（The Design and Evaluation of a High-Speed Jet Dispenser Driven by Single Piezoelectric Stack）为题发表在《IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL》2022年，69卷，第2期。

     论文第一作者为北京航空航天大学机械工程与自动化学院孙超超博士生，共同通讯作者为北京航空航天大学机械工程与自动化学院袁松梅教授，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室褚祥诚副研究员。

     论文联合署名单位：北京科技大学、北京派和科技股份有限公司、佛山（华南）新材料研究院智能硬件与高端装备创新研究中心。该团队多年来一直专注于压电陶瓷材料及应用、陶瓷增材制造技术及装备等领域相关研究。本项工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。

文章链接：http://ieeexplore.tsg211.com/document/9631302

广东君璟科技有限公司

北京派和科技股份有限公司