一种预印功能层诱导射流的电喷印装置
阅读说明：本技术 一种预印功能层诱导射流的电喷印装置 (Electric jet printing device for pre-printing functional layer induced jet flow ) 是由 李凯 任鑫磊 王晓英 刘麦祺 于 2021-07-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于先进制造技术领域,涉及一种预印功能层诱导射流的电喷印装置,包括喷印模块、视觉检测模块、吸附模块三个部分。基于电流体动力效应喷射出的射流在衬底上预印复杂的微纳功能结构层图案,再在电场力作用下诱导射流尺寸、射流沉积位置,双喷头联合协同喷印,快速实现与预印功能层同形状的喷印制造,预印功能层与后续纳米尺度的连续射流充分黏合、固化,形成复合微纳功能结构。该电喷印方法采用预印功能层改变衬底电场力的分布情况,保证射流沉积位置精度,降低复合微纳功能结构工艺尺寸误差。具有设备成本低、工艺简单、加工周期短等优势,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。(The invention belongs to the technical field of advanced manufacturing, and relates to an electronic jet printing device for jet flow induction of a preprinting functional layer. Jet flow ejected based on an electrohydrodynamic effect preprints complex micro-nano functional structure layer patterns on a substrate, then induces jet flow size and jet flow deposition positions under the action of electric field force, and double spray heads jointly cooperate with jet printing to quickly realize jet printing manufacture with the same shape as a preprinted functional layer, and the preprinted functional layer is fully bonded and solidified with subsequent continuous jet flow in a nano scale to form a composite micro-nano functional structure. The electronic jet printing method adopts a preprinted functional layer to change the distribution condition of the electric field force of the substrate, ensures the jet flow deposition position precision and reduces the process size error of the composite micro-nano functional structure. The method has the advantages of low equipment cost, simple process, short processing period and the like, optimizes the micro-nano functional structure, improves the service performance of the nano device and prolongs the service life of the nano device.)
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种预印功能层诱导射流的电喷印装置。
背景技术
电喷印是一种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，接着在喷针与衬底间施加高电压，此时，悬滴在电场力及墨水表面张力、重力、粘性力等综合作用下形成泰勒锥，当电场力持续增大，液滴于泰勒锥尖端喷出，形成稳定的微纳米级射流。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。
然而，电喷印过程中射流受到流体压力、电场力、液体表面张力等综合作用，射流飞行难以控制，对于喷印复杂图案的微纳功能结构，存在结构尺寸误差大、射流沉积位置精度低等问题。
发明内容
本发明为了克服上述电喷印制造技术的不足，发明一种预印功能层诱导射流的电喷印装置。首先，基于电流体动力效应喷射出的射流在衬底上预印复杂的微纳功能结构层图案，再在电场力的作用下诱导射流尺寸、射流沉积位置，双喷头联合协调喷印，快速实现与预印功能层同形状的喷印制造，预印功能层与后续纳米尺度的连续射流充分黏合、固化，形成复合微纳功能结构。此预印功能层诱导射流的电喷印装置具有设备成本低、工艺简单、加工周期短等优势。
本发明采取的技术方案是：
一种预印功能层诱导射流的电喷印装置，该装置首先利用电射流打印技术在衬底上制备出具有复杂图案的微纳功能结构预印层，预印接线触角，改变衬底上的电场力分布情况，诱导加工过程中的射流尺寸、射流沉积位置，双喷头的联合协调喷印，快速实现复合微纳功能结构的制备。该装置包括喷印模块、视觉检测模块和吸附模块三个部分；其特征在于，所述喷印模块包括第一注射器、活塞、注射器外筒、复位弹簧、橡胶导管、第一注射泵、第二注射器、第二注射泵、上位机、平台基板、红外加热灯、预印功能墨水、功能墨水、电压控制器、第一喷头、第一喷头夹具、第二喷头和第二喷头夹具；所述第一注射器和第二注射器由相同规格的活塞、注射器外筒和复位弹簧构成；所述第一注射器和第二注射器的活塞分别紧固在第一注射泵和第二注射泵上；所述第一注射器和第二注射器通过橡胶导管腔体连通；所述预印功能墨水和功能墨水在第一注射泵、第二注射泵的压力和复位弹簧的作用下进入第一注射器和第二注射器；第一注射器、第二注射器的一端分别和第一喷头、第二喷头上端通过塑料导管连接；所述第一喷头、第二喷头夹具前端导电并夹紧第一喷头和第二喷头，后端绝缘和上位机连接，在空间上实现三维运动；所述的第一喷头和第二喷头由导电材料制成，头部加工喷孔；所述的电压控制器与交流电源连接，其输出端与第一喷头夹具和第二喷头夹具导电部分的右端相连；所述的红外加热灯连接直流电源，由直流电源供电，灯身放置平台基板的上方，使灯光照射整个喷印表面区域并加热喷印材料的上表面；所述上位机分别控制第一喷头夹具和第二喷头夹具的运动轨迹和运动速度，使得第一喷头和第二喷头在空间按预期规划路线动作，喷印复杂微纳功能结构；
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上的喷印过程进行监控，将图像传送至上位机，上位机对图像进行处理，控制第一喷头夹具和第二喷头夹具动作，实现整个喷印过程的闭环连接；所述红外加热灯不仅对喷印过程进行加热，同时也起到照明作用；
所述吸附模块包括平台、平台基板和吸附装置；所述平台基板固定在平台上形成整体，通过吸附装置固定于地面，相对空间位置始终不变，所述平台基板上表面平面度在2-8微米，所述吸附装置对衬底进行精准固定。
采用上述装置进行预印功能层诱导射流的电喷印，步骤具体如下：
第一步，衬底固定与初始图像采集
首先，打开红外加热灯和吸附装置开关，同时将衬底放置在平台基板上合适的位置，紧接着上位机将第一喷头和第二喷头初始位置调整到坐标原点，通过工业相机对衬底进行图像采集和已规划路线图像做对比分析，调节第一喷头和第二喷头的打印速度及初始位置高度；
第二步，稳定电喷射流的形成
选用两种高性能功能墨水，通过注射泵将功能墨水注入第一喷头和第二喷头中，调节喷孔与衬底的间距，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，最终使喷孔处的功能墨水形成远小于喷孔尺寸的稳定射流；
第三步，复合微纳功能结构的喷印制造
根据微纳功能结构的形状，编写运动控制程序，首先由上位机控制第一喷头夹具动作，在衬底上预印复杂微纳功能层图案，同时喷印与地线连接的触头，改变衬底电场力的分布，在电场力作用下诱导射流尺寸、射流沉积位置，紧接着上位机控制第二喷头夹具动作，双喷头同时工作加快喷印速度，实现与预印复杂微纳功能层同形状的喷印制造，所述复合微纳功能结构喷印过程通过工业相机和实时监测软件监测，保证射流的稳定性；
第四步，热场辅助下微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水的固化为红外加热灯加热，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红外加热灯的照射加热范围内，调节红外加热灯的功率，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：利用预印功能层诱导射流的电喷印装置，实现复合微纳功能结构的打印制造，基于电流体动力效应喷射出的射流在衬底上预印复杂的微纳功能结构层图案，再在电场力的作用下诱导射流尺寸、射流沉积位置，双喷头的联合协调喷印，快速实现与预印功能层同形状的喷印制造，预印功能层与后续纳米尺度的连续射流充分黏合、固化，形成复合微纳功能结构。此预印功能层诱导射流的电喷印装置具有设备成本低、工艺简单、加工周期短等优势。
附图说明
：图1是本发明实施例中的预印功能层诱导射流的电喷印装置示意图。
图2是本发明实施例中的喷印复合微纳功能结构示意图。
图3是本发明实施例中的注射器剖面图。
图中：1第一注射器、111活塞、112注射器外筒、113复位弹簧、114橡胶导管、2第一注射泵、3第二注射器、4第二注射泵、5工业相机、6上位机、7平台、8平台基板、9衬底、10吸附装置、11红外加热灯、12预印功能墨水、13功能墨水、14第二喷头、141第二喷孔、15第二喷头夹具、16电压控制器、17第一喷头、171第一喷孔、18第一喷头夹具。
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预印功能层诱导射流的电喷印装置，该装置包括喷印模块、视觉检测模块和吸附模块。该装置是利用电射流打印技术在衬底上预印复杂的微纳功能结构层图案，预印接线触角，改变衬底上电场力分布情况，调节打印参数获得远小于喷针内径的纳米尺度高粘连续射流，此射流在电场力的诱导下，具有高精度的工艺尺寸和沉积位置精度，高粘连续射流与预印微纳功能结构层充分黏合、固化，双喷头联合协调的喷印，快速实现所需的复合微纳功能结构的制备。
具体地讲，在本实施例中，喷印模块包括第一注射器1、第一注射泵2、第二注射器3、第二注射泵4、红外加热灯11、预印功能墨水12、功能墨水13、第一喷头17、第一喷头夹具18、第二喷头14和第二喷头夹具15；所述第一注射泵2和第二注射泵4由220V交流电源供电，所述第一注射器1和第二注射器3由相同规格的活塞111、注射器外筒112和复位弹簧113构成；所述第一注射器1和第二注射器3的活塞111分别紧固在第一注射泵2和第二注射泵4上；所述第一注射器1和第二注射器4通过橡胶导管114腔体连通；所述预印功能墨水12和功能墨水13在第一注射泵2、第二注射泵4的压力和复位弹簧113的作用下进入第一注射器1和第二注射器3；第一注射器1、第二注射器3的一端分别和第一喷头17、第二喷头14上端通过塑料导管连接；所述第一喷头夹具18和第二喷头夹具15前端导电并夹紧第一喷头17和第二喷头14，后端绝缘和上位机6连接，在空间上实现三维运动Oxyz；所述的第一喷头17和第二喷头14由导电材料制成，头部加工有第一喷孔171和第二喷孔141；所述的电压控制器16与220V交流电源连接，其输出端与第一喷头夹具18和第二喷头夹具15导电部分的右端相连；所述的红外加热灯11连接0-30V直流电源，由0-30V直流电源供电，灯身放置平台基板8的上方，使灯光照射整个喷印表面区域并加热喷印材料的上表面；所述上位机6分别控制第一喷头夹具18和第二喷头夹具15的运动轨迹和运动速度，使得第一喷头17和第二喷头14在空间按预期规划路线动作，喷印复杂微纳功能结构；
具体地讲，在本实施例中，视觉检测模块包括工业相机5、衬底9和实时检测软件；所述工业相机5实时对衬底9上的喷印过程进行监控，将图像传送至上位机6，上位机6对图像进行处理，控制第一喷头夹具18和第二喷头夹具15动作，实现整个喷印过程的闭环连接；所述红外加热灯11不仅对喷印过程进行加热，同时也起到照明作用；
具体地讲，在本实施例中，吸附模块包括平台7、平台基板8和吸附装置10；所述平台基板8固定在平台7上形成整体，通过吸附装置10固定于地面，相对空间位置始终不变，所述平台基板8上表面平面度在2-8微米，所述吸附装置10对衬底9进行精准固定。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
采用上述装置进行预印功能层诱导射流的电喷印，具体步骤如下：
第一步，衬底固定与初始图像采集
首先，打开红外加热灯11和吸附装置10开关，同时将衬底9放置在平台基板8上合适的位置，紧接着上位机6将第一喷头17和第二喷头14初始位置调整到坐标原点Oxy，通过工业相机5对衬底9进行图像采集和已规划路线图像做对比分析，调节第一喷头17和第二喷头14的初始打印速度vo及初始位置高度ho；
第二步，稳定电喷射流的形成
选用两种高性能纳米银功能墨水，其表面张力为40mN/m-90mN/m，粘度为2cP-8cP，通过第一注射泵2、第二注射泵4将预印功能墨水12和功能墨水13注入第一喷头17、第二喷头14中，设定功能墨水流量为2.5μl/min-5μl/min，调节第一喷孔171和第二喷孔141与衬底的间距为4mm-12mm，调节电压控制器16输出交流脉冲电压，频率20Hz-100Hz，高压为1000V，使用工业相机5观测射流状态，最终使喷孔处的功能墨水形成远小于第一喷孔171、第二喷孔141尺寸的稳定射流；
第三步，复合微纳功能结构的喷印制造
根据微纳功能结构的形状，编写运动控制程序，首先由上位机6控制第一喷头夹具18动作，运动速度为2mm/s-6mm/s，在衬底9上预印复杂微纳功能层图案，同时喷印与地线连接的触头，改变衬底9电场力的分布情况，在电场力作用下诱导射流尺寸、射流沉积位置，紧接着上位机6控制第二喷头夹具15动作，运动速度为4mm/s-9mm/s，双喷头联合协同喷印，快速实现与预印复杂微纳功能层同形状的喷印制造，所述复合微纳功能结构喷印过程通过工业相机5和实时监测软件监测，保证射流的稳定性；
第四步，热场辅助下微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水的固化为红外加热灯11加热，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红外加热灯11的照射加热范围内，调节红外加热灯11的功率为240W-380W，使喷印在衬底9上的结构迅速固化成型，得到所需的复合微纳功能结构。
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