CN102632729A - 电纺直写喷印关断控制装置 - Google Patents

Abstract

电纺直写喷印关断控制装置，涉及一种喷墨打印辅助设备。提供一种可以实现电纺直写喷印射流的快速准确关断的电纺直写喷印关断控制装置。设有喷头、导电继电器、供电高压继电器、直流高压电源、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、收集平台、加热丝、机械关断阀片、加热直流电源、机械关断阀片转盘、温控继电器、限流电阻、机械关断阀启动限位、机械关断阀关断限位、支架、三端直流电源组、电机、保护电阻、电控单刀三掷开关和控制器。所述喷头经供液管道外接供液装置。

Description

电纺直写喷印关断控制装置

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印辅助设备，尤其是涉及一种电纺直写喷印关断控制装置。

背景技术

电纺直写技术作为一种新型的喷墨打印方式，是利用纺丝射流的直线稳定阶段实现了线宽50nm～10μm纳米纤维或微米薄膜的有序制备，定位精度6～8μm，最高喷印速度可达4m/s，可在常温常压环境下将聚合物、金属颗粒溶液等多种溶液直接喷印到硬性或柔性基底上；与柔性电子材料具有良好的兼容性，并可与卷到卷制造工艺结合实现柔性电子和有机微纳器件的大面积、批量化、低成本制造。电纺直写技术可以较好地克服传统微电子制造技术投资大、环境污染严重、制造环境条件要求高求、与柔性基板、有机材料工艺兼容性差等缺点，具有巨大的应用潜力。并且电纺直纺在工作原理上不同于传统采用内压力(如压电、热气泡喷墨打印)，而是采用于外高压电场拉伸喷印溶液使之变形产生泰勒锥而出现射流喷射；喷印射流来源于纺丝泰勒锥锥尖，射流直径不受限于纺丝喷嘴的内径，可进一步减小喷印微纳结构线宽(传统喷墨打印最小线宽20μm)。因此，电纺直写喷印可采用大内径喷头进行微纳结构的喷印制备，突破了传统喷印技术中对溶液粘度的限制(传统喷墨打印喷印溶液粘度0.002～0.1Pas)，可实现高粘度溶液(粘度可达～15Pas)快速喷印。电纺直写喷印已经成为柔性电子产业喷印最具潜力的制造技术之一。

在电纺直写喷印过程中，主要在喷头与收集平台之间施加高压电场，使其拉伸黏弹性溶液发生变形，产生射流进行喷印。在高压电场作用下，溶液中电荷将朝泰勒锥锥尖运动并产生聚焦，射流从泰勒锥射出后将携带走溶液表面聚焦的电荷，带电射流在高压电场作用下将朝收集平台加速运动。当电纺直写停止时，高压电源关断后喷嘴处电荷不能马上降为零，泰勒锥和射流表面仍聚焦有大量残留电荷。受残余电荷排斥力黏弹性溶液流体惯性的共同影响，射流仍将继续保持喷射。但此高压电场已经关断，射流在残留电荷的作用下射流尾流将主要产生不均匀纳米纤维或卫星液滴为主，破坏了已经喷印的微纳米结构整体性，特别是在微纳系统精密集成加工方面的影响更为显著。

实现电纺直写喷印射流的准确快速关断，是实现其在集成微纳系统精确制备应用的关键之一。

目前，纺丝射流关断仍主要依靠射流的自然关断，关断时间长、控制效果差；对于纺丝射流快速关断的控制研究尚未见有文献报道。

本申请人在中国专利CN102019240A中提供一种电纺直写喷头。设带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、回位弹簧、探针、排气管道；带喷头空心套管前端设有喷孔和注入孔，带螺纹调节塞设于带喷头空心套管后端，线圈套在带喷头空心套管外侧，衔铁设于带喷头空心套管内，探针与衔铁固连，探针前端位于带喷头空心套管前端的喷孔中，探针后端与回位弹簧一端固连，回位弹簧另一端与带螺纹调节塞内端固连，排气管道设于带螺纹调节塞上，排气管道内端与带喷头空心套管内腔相通，排气管道外端与外界相通。

本申请人在中国专利CN102162175A中提供一种激光引导电纺直写装置。设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台。控制器接高压继电器，高压继电器各端分别接静电高压电源、收集板及设于空心喷头前端的导体喷嘴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤穿过密封调节件中心且与密封调节件固连，准直聚焦透镜组设于光纤前端，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵通过供液管与空心喷头连通，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。激光约束了纺丝射流的无序运动并引导纺丝射流沉积于收集板激光斑点处。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现电纺直写喷印射流的快速准确关断的电纺直写喷印关断控制装置。

本发明设有喷头、导电继电器、供电高压继电器、直流高压电源、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、收集平台、加热丝、机械关断阀片、加热直流电源、机械关断阀片转盘、温控继电器、限流电阻、机械关断阀启动限位、机械关断阀关断限位、支架、三端直流电源组、电机、保护电阻、电控单刀三掷开关和控制器；

所述喷头经供液管道外接供液装置，所述喷头与导电继电器公共端和供电高压继电器常开端连接；供电高压继电器公共端经导线与直流高压电源正极连接，导电继电器常闭端、接地继电器常开端、延时继电器常闭端均与收集平台相连；所述机械关断阀片安装于机械关断阀片转盘上，所述机械关断阀片和机械关断阀片转盘两者同步转动；机械关断阀片转盘与电机同轴机械相连，可由电机带动机械关断阀片转盘转动；电机安装于支架上；机械关断阀启动限位、机械关断阀关断限位控制机械关断阀片转动的位置；电机由三端直流电源组经电控单刀三掷开关进行供电；机械关断阀片上设有加热丝，加热丝一端经限流电阻连接于温控继电器公共端，温控继电器常开端与加热直流电源正极电气连接；加热丝另一端与加热直流电源负极电气连接并接地；所述三端直流电源组设有正电位电极、零电位电极和负电位电极，三端直流电源组可输出正向电压和反向电压，三端直流电源组零电位电极与地相连，三端直流电源组零电位电极经保护电阻连接于电机负极；电控单刀三掷开关设有上工作电极、中工作电极、下工作电极和公共电极；电机正极与电控单刀三掷开关公共电极相连，三端直流电源组正电位电极与电控单刀三掷开关上工作电极相连，三端直流电源组负电位电极与电控单刀三掷开关下工作电极相连；当电控单刀三掷开关置于上工作位时，电机接通正向电源进行正向转动；当电控单刀三掷开关置于中工作位时，电机断电停止转动；当电控单刀三掷开关置于下工作位时，电机接通反向电源进行反向转动；所述导电继电器、供电高压继电器、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、温控继电器、电控单刀三掷开关控制端均与控制器连接，可通过控制器控制导电继电器、供电高压继电器、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、温控继电器和电控单刀三掷开关的动作位置；机械关断阀片表面设有导电层且接地，能及时导走沉积在机械关断阀片表面射流或微纳结构积累的电荷，保证阻断效果。

以下给出本发明的工作原理：

本发明主要设有喷头、溶液槽、控制器、收集平台、机械关断阀、直流高压电源、直流控制电源、直流控制电源组、高压继电器、导电继电器和延时继电器等部分。在喷头与高压电源之间、高压电源负极与收集平台之间、以及收集平台与地之间分别经单独的继电器的常开端连接；喷头与收集平台经导电继电器常闭端连接；收集平台同时经延时继电器常开端与地相连。各继电器控制端与控制器相连接并受其控制。当电纺丝直写关断时，高压继电器和导电继电器、延时继电器发生动作，切断高压电源，并使喷头与收集平台之间实现电学连接，利用残留电荷使得收集平台与喷头之间产生电荷排斥力抑制射流尾流，防止卫星液滴产生；同时启动机械关断阀上的电机，使关断阀产生转动在喷头与收集平台之间起动阻挡作用；关断阀上具有加热丝，可提高关断阀温度切断尚在空间运动的纺丝射流。

本发明仅利用机械关断阀的阻挡作用可以防止射流尾流在收集板上产生卫星液滴、不均匀微纳结构等现象；但控制器发出电纺直写关断指令时，喷头至收集平台之间己有处于下降运动中的纺丝射流，难以实现即时关断的结果；同时，空间连续射流具有很好的弹性，仅依靠机械关断阀进行关断无法切断射流，易于产生射流拖拽作用而影响整体喷印效果。本发明在切断喷头与收集平台之间的高压电场后立即直接导通喷头与收集平台，使残留电荷被平分到喷头与收集平台；残留电荷平分后，在喷头与收集平台之间产生排斥电场抑制了射流的继续喷射。另一方面，机械关断阀上安装有快速加热丝，可使关断阀快速升温，利用关断阀的温度效应切断空间运动连续射流，实现射流的快速准确关断。本发明结合机械关断和电场排斥关断两种控制方式的优点，有效地实现了电纺直写喷印的准确快速关断。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有喷头1、导电继电器2、供电高压继电器3、直流高压电源4、接地高压继电器5、接地继电器6、延时继电器7、收集平台8、加热丝9、机械关断阀片10、加热直流电源11、机械关断阀片转盘12、温控继电器13、限流电阻14、机械关断阀启动限位15、机械关断阀关断限位16、支架17、三端直流电源组18、电机19、保护电阻20、电控单刀三掷开关21和控制器22。

所述喷头1经供液管道外接供液装置，所述喷头1与导电继电器2公共端和供电高压继电器3常开端连接；供电高压继电器3公共端经导线与直流高压电源4正极连接，导电继电器2常闭端、接地继电器6常开端、延时继电器7常闭端均与收集平台8相连；所述机械关断阀片10安装于机械关断阀片转盘12上，所述机械关断阀片10和机械关断阀片转盘12两者同步转动；机械关断阀片转盘12与电机19同轴机械相连，可由电机19带动机械关断阀片转盘12转动；电机19安装于支架17上；机械关断阀启动限位15、机械关断阀关断限位16控制机械关断阀片10转动的位置；电机19由三端直流电源组18经电控单刀三掷开关21进行供电；机械关断阀片10上设有加热丝9，加热丝9一端经限流电阻14连接于温控继电器13公共端，温控继电器13常开端与加热直流电源11正极电气连接；加热丝9另一端与加热直流电源11负极电气连接并接地；所述三端直流电源组18设有正电位电极、零电位电极和负电位电极，三端直流电源组18可输出正向电压和反向电压，三端直流电源组18零电位电极与地相连，三端直流电源组18零电位电极经保护电阻20连接于电机19负极；电控单刀三掷开关21设有上工作电极、中工作电极、下工作电极和公共电极；电机19正极与电控单刀三掷开关21公共电极相连，三端直流电源组18正电位电极与电控单刀三掷开关21上工作电极相连，三端直流电源组18负电位电极与电控单刀三掷开关21下工作电极相连；当电控单刀三掷开关21置于上工作位时，电机19接通正向电源进行正向转动；当电控单刀三掷开关21置于中工作位时，电机19断电停止转动；当电控单刀三掷开关21置于下工作位时，电机16接通反向电源进行反向转动；所述导电继电器2、供电高压继电器3、接地高压继电器5、接地继电器6、延时继电器7、温控继电器13、电控单刀三掷开关21控制端均与控制器22连接，可通过控制器22控制导电继电器2、供电高压继电器3、接地高压继电器5、接地继电器6、延时继电器7、温控继电器13和电控单刀三掷开关21的动作位置；机械关断阀片10表面设有导电层且接地，能及时导走沉积在机械关断阀片10表面射流或微纳结构积累的电荷，保证阻断效果。

当正常喷印工作启动时，控制器22发出启动信号。直流高压电源4经供电高压继电器3向喷头1供电，精密供液装置23经供液管道实验向喷头供给溶液。在控制器22指令的作用下各继电器或开关进行动作，其中导电继电器2、供电高压继电器3、接地高压继电器5、接地继电器6、延时继电器7发生动作常开点接触，电控单刀三掷开关21处于中工作位电机19不会转动。温控继电器13没发生动作，加热丝9没有工作。

当控制器22发出电纺直写喷印停止信号后，导电继电器2、供电高压继电器3、接地高压继电器5、接地继电器6、温控继电器13复位恢复初始状态常闭点接触，电控单刀三掷开关21处于上工作位，温控继电器13发生动作常开端闭合加热丝9开始工作提高温度。喷头1与收集平台8实现电学导通，但与地和直流高压电源4隔离没有连接，残留电荷在喷头1与收集平台8之间进行平分，两均带同种电荷，从而对喷头1上的射流或液滴产生电荷排斥力的作用，防止尾流喷射或卫星液滴产生。电机19正向转动，并带动机械关断阀片10转动至喷头正下方实现射流尾流的阻挡；电机19正向转动至触发机械关断阀关断限位16时向控制器22发出限位信号，控制器22接收到关断限位信号后发出控制指令使电控单刀三掷开关21处于中工作位电机19停止工作；电机19具有位置自锁功能可防止电机19发生位置偏离。加热丝9开始工作提高温度利于切断空间运动的连续纺丝射流。接收到控制器关断信号后延时继电器7经过设定的时间再恢复常闭端导通导走喷头与收集板上所积累的电荷，其延迟设定时间一般为1～2s。

待电纺直写喷印完全结束后，控制器22发出复位信号，使温控继电器13复位、加热丝9断电停止工作，机械关断阀片10温度停止升高；电控单刀三掷开关21置于下电位，电机19接通反向电压，机械关断阀片转盘12带动机械关断阀片10朝初始位置转动。当机械关断阀片转盘12转动到启动位置时，触发机械关断阀启动限位15并向控制器22发出触发信号，控制器22发出控制信号使电控单刀三掷开关21置于中电位，电机19停止转动。电纺直写喷印复位控制可采用定时间控制和手动控制两种方案：可设定0.5～2mim的复位延迟时间，当控制器22发出关断信号经过所设定的复位延迟时间后自动发出复位信号；也可以依据观测进行手动操作，适时手动操作使控制器22发出复位信号。

温控继电器13、电控单刀三掷开关21的动作状态可以通过控制器22进行单独控制。

Claims (1)

1.电纺直写喷印关断控制装置，其特征在于设有喷头、导电继电器、供电高压继电器、直流高压电源、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、收集平台、加热丝、机械关断阀片、加热直流电源、机械关断阀片转盘、温控继电器、限流电阻、机械关断阀启动限位、机械关断阀关断限位、支架、三端直流电源组、电机、保护电阻、电控单刀三掷开关和控制器；

所述喷头经供液管道外接供液装置，所述喷头与导电继电器公共端和供电高压继电器常开端连接；供电高压继电器公共端经导线与直流高压电源正极连接，导电继电器常闭端、接地继电器常开端、延时继电器常闭端均与收集平台相连；所述机械关断阀片安装于机械关断阀片转盘上，所述机械关断阀片和机械关断阀片转盘两者同步转动；机械关断阀片转盘与电机同轴机械相连，可由电机带动机械关断阀片转盘转动；电机安装于支架上；机械关断阀启动限位、机械关断阀关断限位控制机械关断阀片转动的位置；电机由三端直流电源组经电控单刀三掷开关进行供电；机械关断阀片上设有加热丝，加热丝一端经限流电阻连接于温控继电器公共端，温控继电器常开端与加热直流电源正极电气连接；加热丝另一端与加热直流电源负极电气连接并接地；所述三端直流电源组设有正电位电极、零电位电极和负电位电极，三端直流电源组可输出正向电压和反向电压，三端直流电源组零电位电极与地相连，三端直流电源组零电位电极经保护电阻连接于电机负极；电控单刀三掷开关设有上工作电极、中工作电极、下工作电极和公共电极；电机正极与电控单刀三掷开关公共电极相连，三端直流电源组正电位电极与电控单刀三掷开关上工作电极相连，三端直流电源组负电位电极与电控单刀三掷开关下工作电极相连；当电控单刀三掷开关置于上工作位时，电机接通正向电源进行正向转动；当电控单刀三掷开关置于中工作位时，电机断电停止转动；当电控单刀三掷开关置于下工作位时，电机接通反向电源进行反向转动；所述导电继电器、供电高压继电器、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、温控继电器、电控单刀三掷开关控制端均与控制器连接，可通过控制器控制导电继电器、供电高压继电器、接地高压继电器、接地继电器、延时继电器、温控继电器和电控单刀三掷开关的动作位置；机械关断阀片表面设有导电层且接地，能及时导走沉积在机械关断阀片表面射流或微纳结构积累的电荷，保证阻断效果。

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