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CN113619108A - 一种变压气流疏通喷头的电喷印装置 - Google Patents

一种变压气流疏通喷头的电喷印装置 Download PDF

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CN113619108A
CN113619108A CN202110769991.XA CN202110769991A CN113619108A CN 113619108 A CN113619108 A CN 113619108A CN 202110769991 A CN202110769991 A CN 202110769991A CN 113619108 A CN113619108 A CN 113619108A
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CN
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spray
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dredging
port
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李凯
任鑫磊
尤诚诚
刘麦祺
王晓英
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Ningbo University
Original Assignee
Ningbo University
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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种变压气流疏通喷头的电喷印装置，包括喷印模块、视觉检测模块、吸附模块、气压疏通喷头模块四个部分。基于电流体动力效应喷射出的射流，在电场力、粘性力等因素的耦合作用下，快速实现微纳功能结构喷印。该电喷印装置采用变压气流疏通喷头的方式，当喷头堵塞时，喷头腔内累积墨水增多、单位压力增大，核心器件两位四通阀动作，变压气流对堵塞处施加往复压力、吸力，实现喷头疏通。相比传统机械振动和物理加热疏通喷头的方法，本发明具有设备成本低、加工周期短，免拆卸、自动化实现喷头疏通，保证喷印过程不产生间断，持续稳定的纳米级精细射流，优化了微纳功能结构，提高了纳米器件使用性能和使用寿命。

Description

一种变压气流疏通喷头的电喷印装置
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种变压气流疏通喷头的电喷印装置。
背景技术
电喷射打印技术是一种高精度非接触式增材制造技术，利用流体压力将功能墨水供给到喷针出口处，形成初始的悬滴，在喷针与衬底间施加高电压，利用电场力、粘性力等因素的耦合作用，使墨水在喷孔处形成直径远小于喷孔内径的稳定聚焦射流，通过该射流在衬底上上实现所需微纳功能结构的制备。电喷印因具有加工精度高、材料利用率高、工艺简单、打印可控性强等优点，广泛应用于柔性显示、微纳传感器的制造过程中，成为微纳制造领域的研究热点。
喷印设备中的喷头是关键部位，通过影响喷印过程射流的持续性、稳定性，决定喷印结构质量。然而，功能墨水中固体颗粒团聚、沉降，会形成大直径杂质，在压力作用下被推入喷针，产生不可避免的喷头堵塞现象，影响喷印设备的正常工作。针对喷头易堵塞、难疏通这一痛点，传统采用机械振动、物理加热的方式疏通喷头。然而，采用上述两种疏通方式，会对喷印产生诸多不利影响。
一、采用机械振动、物理加热方式疏通喷头，需将喷头从喷印设备上拆卸下来，加工周期长、工艺繁琐、不易操作，特别是喷针内径较小时，疏通更加困难。
二、机械振动方式固然简单，但将喷头置于振动环境中，固体颗粒杂质在粉碎的同时，功能墨水的质地稳定性也会受到影响。
发明内容
本发明为了克服上述电喷印制造技术的不足，发明一种变压气流疏通喷头的电喷印装置。首先，基于电流体动力效应将功能墨水以固定的流速输送至喷针处，再在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成纳米级精细射流，快速实现微纳功能结构制备；当喷头堵塞后，两位四通阀动作，利用变压气流对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，实现免拆卸、自动化疏通喷头，保证喷印过程无间断，持续稳定的输出精细射流，优化微纳功能结构。此变压气流疏通喷头的电喷印装置具有设备成本低、工艺简单、加工周期短、适应性广等优势。
为解决这个问题，本发明采取的技术方案是：
一种变压气流疏通喷头的电喷印装置，该装置首先利用电流体动力效应将功能墨水以固定的流速输送至喷针处，再在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成纳米级精细射流，快速实现微纳功能结构制备；当喷头堵塞后，利用变压气流对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，实现免拆卸、自动化疏通喷头。该装置包括喷印模块、视觉检测模块、吸附模块和气压疏通喷头模块四个部分；其特征在于，所述喷印模块包括电压控制器、上位机、注射泵、注射器、活塞、注射器外壳、注射器复位弹簧、喷头夹具和喷头；所述注射器由注射器外壳、活塞和注射器复位弹簧构成；所述的电压控制器与交流电源连接，其输出端与喷头夹具导电部分的左端相连；所述上位机控制喷头夹具的运动轨迹和运动速度，使得喷头在空间按预先规划路线动作；所述喷头头部加工有锥形喷针；
所述视觉检测模块包括工业相机、衬底和实时检测软件；所述工业相机实时对衬底喷印过程进行监控，将图像传送至上位机，上位机对图像进行处理，控制喷头夹具动作，实现整个喷印过程的闭环连接；所述工业相机不仅起图像采集作用，同时头部自带光源，满足光线不足情况下的加工要求；
所述吸附模块包括平台基板和真空吸附装置；所述平台基板上设有定位销；所述平台基板固定在真空吸附装置上，两者形成整体，真空吸附装置固定于地面，平台基板与真空吸附装置相对空间位置始终不变；
所述气压疏通喷头模块包括杂质收集杯、涡流风机、储气罐、两位四通换向阀、阀体、阀芯、复位弹簧和功能墨水；所述两位四通换向阀由阀体、阀芯和复位弹簧构成；所述功能墨水在注射泵压力下，经注射器左端塑料导管注入喷头；所述两位四通换向阀A口与喷头头部、B口与注射泵上部、C口与锥形喷针上部、D口与储气罐出口，通过塑料导管连接；所述涡流风机与交流电源连接；所述的杂质收集杯用于收集堵塞喷头内的杂质。
采用上述变压气流疏通喷头的电喷印装置进行电喷印微纳功能结构，包括以下步骤：
第一步，衬底固定与初始图像采集
首先，打开上位机和吸附装置开关，同时将衬底通过定位销固定在平台基板上合适的位置，紧接着上位机将喷头移动到坐标原点，通过工业相机对衬底进行图像采集与已规划路线图像做对比分析，调节喷头的打印速度及初始位置高度；
第二步，微纳精细射流的形成
选用高性能功能墨水，通过注射泵将功能墨水注入喷头中，调节喷针与衬底的间距，调节电压控制器的输出电流、脉冲电压和频率，使用工业相机观测射流状态，最终使喷针处的功能墨水形成远小于喷针尺寸的稳定射流；
第三步，变压气流疏通堵塞喷头
根据微纳功能结构的形状，编写运动控制程序，由上位机控制喷头夹具动作，在衬底上喷印复杂微纳功能层图案，当喷头堵塞后，由于喷头容积有限，喷头累积的墨水增多，喷头腔体内单位压力增大；上位机控制喷头移动，至杂质收集杯处，同时两位四通阀的复位弹簧收缩，阀芯向右动作，A口与B口连通、C口与D口连通，功能墨水通过A口、B口流回注射泵，此时，注射器左容腔压力降低，活塞向左动作，阀口关闭，喷头内腔形成密闭空间，变压气流通过D口、C口对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，快速实现喷头疏通；
第四步，微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水的固化为风冷，复杂微纳功能结构图案打印的同时，射流下方正在打印的区域处在空气快速流动的环境中，调节涡流风机的功率，使喷印在衬底上的结构迅速固化成型，得到复合微纳功能结构。
本发明的有益效果为：利用变压气流疏通喷头的电喷印装置，实现微纳功能结构的打印制造。基于电流体动力效应将功能墨水以固定的流速输送至喷针处，再在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成纳米级精细射流，快速实现微纳功能结构制备；当喷头堵塞后，两位四通阀动作，利用变压气流对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，实现免拆卸、自动化疏通喷头，保证喷印过程无间断，持续稳定的输出精细射流，优化微纳功能结构。此变压气流疏通喷头的电喷印装置具有设备成本低、工艺简单、加工周期短、适应性广等优势。
附图说明：
图1是本发明实施例中的变压气流疏通喷头的电喷印装置示意图。
图2是本发明实施例中的两位四通换向阀剖面图。
图3是本发明实施例中的注射器剖面图。
图中：1电压控制器、2上位机、3工业相机、4衬底、5平台基板、6真空吸附装置、7杂质收集杯、8涡流风机、9储气罐、10两位四通换向阀、101阀体、102阀芯、103复位弹簧、104连接孔、11注射泵、12注射器、121活塞、122注射器外壳、123注射器复位弹簧、13喷头夹具、14功能墨水、15喷头。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图3。
本实施例公开了一种变压气流疏通喷头的电喷印装置，该装置包括喷印模块，视觉检测模块、吸附模块和气压疏通喷头模块四个部分。基于电流体动力效应将功能墨水14以固定的流速输送至喷针处，再在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成纳米级精细射流，快速实现微纳功能结构制备；当喷头堵塞后，两位四通阀10动作，利用变压气流对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，实现免拆卸、自动化疏通喷头，保证喷印过程无间断，持续稳定的输出精细射流，优化微纳功能结构。
具体地讲，在本实施例中，喷印模块包括电压控制器1、上位机2、衬底4、注射泵11、注射器12、活塞121、注射器外壳122、注射器复位弹簧123、喷头夹具13和喷头15；所述注射器由注射器外壳122、活塞121和注射器复位弹簧123构成；所述的电压控制器1与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具13导电部分的左端相连；所述上位机2控制喷头夹具13的运动轨迹和运动速度，使得喷头15在空间按预先规划路线动作；所述喷头15头部加工有纳米级锥形喷针；所述功能墨水14在注射泵11的压力和注射器复位弹簧123的复合作用力下，通过左端塑料导管，注入喷头15，在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成纳米级精细射流，在衬底4上快速实现微纳功能结构制备；
具体地讲，在本实施例中，视觉检测模块包括工业相机3和实时检测软件；所述工业相机3实时对衬底4喷印过程进行监控，将图像传送至上位机2，上位机2对图像进行处理，控制喷头夹具13动作，实现整个喷印过程的闭环连接；所述工业相机3不仅起图像采集作用，同时头部自带光源，满足光线不足情况下的加工要求；
具体地讲，在本实施例中，吸附模块包括平台基板5和真空吸附装置6；所述平台基板5上设有定位销；所述平台基板5固定在真空吸附装置6上，两者形成整体，真空吸附装置6固定于地面，平台基板5与真空吸附装置6相对空间位置始终不变；
具体地讲，在本实施例中，气压疏通喷头模块包括杂质收集杯7、涡流风机8、储气罐9、两位四通换向阀10、阀体101、阀芯102、复位弹簧103、功能墨水14；所述功能墨水14在注射泵11压力下经注射器12左端塑料导管注入喷头14；所述两位四通换向阀A口与喷头15头部、B口与注射泵11上部、C口与锥形喷针上部、D口与储气罐9出口，通过塑料导管连接；所述涡流风机8与220V交流电源连接；所述当喷头15堵塞后，由于喷头15容积有限、容量增多，单位压力增大，上位机2控制喷头15移动，至杂质收集杯7处，同时两位四通阀的复位弹簧103收缩，阀芯102向右动作，A口与B口连通、C口与D口连通，功能墨水14通过A口、B口流回注射泵11，此时，注射器12左容腔压力降低，活塞121向左动作，阀口关闭，喷头15内腔形成密闭空间，变压气流通过D口、C口对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，快速实现喷头疏通；所述的杂质收集杯7用于收集堵塞喷头15内的杂质。
采用上述变压气流疏通喷头的电喷印装置进行电喷印微纳功能结构，其具体步骤如下：
第一步，衬底固定与初始图像采集
首先，打开上位机2和真空吸附装置6开关，同时将衬底4通过定位销固定在平台基板5上合适的位置，紧接着上位机2将喷头15移动到坐标原点oxyz，通过工业相机3对衬底4进行图像采集和已规划路线图像做对比分析，调节喷头15的打印速度vo及初始位置高度ho；
第二步，微纳精细射流的形成
选用高性能纳米功能墨水14，其表面张力为30mN/m-90mN/m，粘度为3cP-7cP，通过注射泵11将功能墨水14注入喷头15中，调节功能墨水14流量为2.5μl/min-6μl/min，调节喷针与衬底的间距为5mm-15mm，调节电压控制器1输出交流脉冲电压，频率25Hz-90Hz，高压1000V，使用工业相机3观测射流状态，最终使喷针处的功能墨水14形成远小于喷针尺寸的稳定射流；
第三步，变压气流疏通堵塞喷头
根据微纳功能结构的形状，编写运动控制程序，由上位机2控制喷头夹具13动作，运动速度为2mm/s-8mm/s，在衬底4上喷印复杂微纳功能层图案，当喷头15堵塞后，由于喷头15容积有限50cm3、喷头累积墨水增多、腔体内单位压力增大，上位机2控制喷头15移动，至杂质收集杯7处，同时两位四通阀的复位弹簧103收缩，阀芯102向右动作，A口与B口连通、C口与D口连通，功能墨水14通过A口、B口流回注射泵11，此时，注射器11左容腔压力降低，活塞121向左动作，阀口关闭，喷头15内腔形成密闭空间，变压气流通过D口、C口对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，快速实现喷头15疏通；
第四步，微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水14的固化为风冷，复杂微纳功能结构图案打印的同时，射流下正在打印的区域处在空气快速流动的环境中，调节涡流风机8的功率为1800W-2400W，使喷印在衬底4上的结构迅速固化成型，得到复合微纳功能结构。

Claims (2)

1.一种变压气流疏通喷头的电喷印装置，其包括喷印模块、视觉检测模块、吸附模块和气压疏通喷头模块四个部分；所述喷印模块包括电压控制器(1)、上位机(2)、注射泵(11)、注射器(12)、活塞(121)、注射器外壳(122)、注射器复位弹簧(123)、喷头夹具(13)和喷头(15)；所述注射器(12)由活塞(121)、注射器外壳(122)和注射器复位弹簧(123)构成；所述的电压控制器(1)与交流电源连接，其输出端与喷头夹具(13)导电部分的左端相连；所述上位机(2)控制喷头夹具(13)的运动轨迹和运动速度，使得喷头(15)在空间按预先规划路线动作；所述喷头(15)头部加工有锥形喷针；
所述视觉检测模块包括工业相机(3)、衬底(4)和实时检测软件；所述工业相机(3)实时对衬底(4)喷印过程进行监控，将图像传送至上位机(2)，上位机(2)对图像进行处理，控制喷头夹具(13)动作，实现整个喷印过程的闭环连接；所述工业相机(3)不仅起图像采集作用，同时头部自带光源，满足光线不足情况下的加工要求；
所述吸附模块包括平台基板(5)和真空吸附装置(6)；所述平台基板(5)上设有定位销；所述平台基板(5)固定在真空吸附装置(6)上，两者形成整体，真空吸附装置(6)固定于地面，平台基板(5)与真空吸附装置(6)相对空间位置始终不变；
所述气压疏通喷头模块包括杂质收集杯(7)、涡流风机(8)、储气罐(9)、两位四通换向阀(10)、阀体(101)、阀芯(102)、复位弹簧(103)和功能墨水(14)；所述两位四通换向阀(10)由阀体(101)、阀芯(102)和复位弹簧(103)构成；所述功能墨水(14)在注射泵(11)压力下经注射器(12)左端塑料导管注入喷头(14)；所述两位四通换向阀(10)A口与喷头(15)头部、B口与注射泵(11)上部、C口与锥形喷针上部、D口与储气罐(9)出气口，通过塑料导管连接；所述涡流风机(8)与交流电源连接；所述的杂质收集杯(7)用于收集堵塞喷头(15)内的杂质。
2.采用权利要求1所述的装置进行电喷印，其特征在于，步骤如下：
第一步，衬底固定与初始图像采集
首先，打开上位机(2)和真空吸附装置(6)开关，同时将衬底(4)通过定位销固定在平台基板(5)上合适的位置，紧接着上位机(2)将喷头(15)移动到坐标原点oxyz，通过工业相机(3)对衬底(4)进行图像采集和已规划路线图像做对比分析，调节喷头(15)的打印速度vo及初始位置高度ho；
第二步，微纳精细射流的形成
选用高性能纳米功能墨水(14)，通过注射泵(11)将功能墨水(14)注入喷头(15)中，调节功能墨水(14)流量，调节喷针与衬底(4)的间距，调节电压控制器(1)的输出电流、脉冲电压和频率，使用工业相机(3)观测射流状态，最终使喷针处的功能墨水(14)形成远小于喷针尺寸的稳定射流；
第三步，变压气流疏通堵塞喷头
根据微纳功能结构的形状，编写运动控制程序，由上位机(2)控制喷头夹具(13)动作，在衬底(4)上喷印复杂微纳功能层图案，当喷头(15)堵塞后，由于喷头(15)容积有限、容量增多，单位压力增大，上位机(2)控制喷头(15)移动，至杂质收集杯(7)处，同时两位四通阀阀芯(10)的复位弹簧(103)收缩，阀芯(102)向右动作，A口与B口连通、C口与D口连通，功能墨水(14)通过A口、B口流回注射泵(11)，此时，注射器(11)左容腔压力降低，活塞(121)向左动作，阀口关闭，喷头(15)内腔形成密闭空间，变压气流通过D口、C口对喷针堵塞处施加往复压力、吸力，快速实现喷头(15)疏通；
第四步，微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水(14)的固化成型为风冷，复杂微纳功能结构图案打印的同时，射流下正在打印的区域处在空气快速流动的环境中，调节涡流风机(8)的功率，使喷印在衬底(4)上的结构迅速固化成型，得到复合微纳功能结构。
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