CN104309338A - 一种电纺丝直写工艺闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，根据实际喷射时流体的变化，将喷嘴处的液体分成泰勒锥和射流两部分进行控制，即采用高速相机进行形态检测，并将末端信息直接反馈给控制器，能够分别对影响射流和泰勒锥最关键的因素基板运动速度和喷射电压进行调控，从而对电纺丝直写工艺进行闭环控制，取得控制纤维形貌和直径、从而制备高精度阵列化图案的有益效果。

Description

一种电纺丝直写工艺闭环控制方法

技术领域

本发明属于电子制造电喷印领域，更具体地，涉及一种电纺丝直写工艺闭环控制方法。

背景技术

随着电子制造和微纳米制造的兴起，新型材料原来越多的被用在电子器件、医药等领域，功能聚合物材料由于具有特殊的物理、化学性质，显示出了极大的应用潜力。但由于其不同于传统的硅基材料，传统的微纳米制造工艺，如光刻、微铸等无法满足聚合物器件的要求。

喷印技术作为一种溶液化制造工艺，由于适合聚合物容易溶液化的特点，成为研究热点。传统的按需喷印(DOD)方法，采用压电、超声或热气泡作为驱动源，产生的液滴直径在20-50微米，1-10pL(pL即微微升)，但由于采用热力或者压力的方式产生喷射，使得液滴尺寸与喷嘴尺寸联系紧密，同时在大面积批量制造时，定位精度差，而且对于高粘度溶液容易产生液滴回弹现象。相比之下，通过电流体动力喷印能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。对于连续的电流体动力喷印也称为电纺丝技术。然而，静电纺丝中会产生“鞭动”等不稳定现象，难以用于高定位精度要求的喷印结构。

针对以上问题，Sun等提出了近场静电纺丝工艺，Bu等提出了力控电纺丝工艺，两种工艺都属于直写工艺，采用了很近的纺丝距离，采用直线段的射流进行纤维图案的沉积，可以获得多种复杂图案。但是二者都只是在原理上进行了验证，并未深入分析各参数设置对纺丝的影响，而在实际应用中，为了获得更加均匀结构和形貌的纺丝，必须引入闭环控制。在电纺丝中，影响纤维直径和形貌的因素很多，主要包括两类：环境参数和工艺参数，其中环境参数包括温度、湿度；工艺参数包括电压、流量、喷射高度、基材速度等；其中环境参数调整响应慢，调整机构复杂，通常保持恒定，而且极小的变化量对纤维直径影响较小；工艺参数中，为了保持喷射的稳定，喷射高度通常是固定的，调整的量为电压、基材速度和流量。其中流量调整通常通过改变注射泵的推进速度，通常由于存在软管连接针嘴和针筒，响应极其缓慢，不利于闭环控制。因此，采用电压和基材速度作为控制量是最佳选择。

针对电纺丝的闭环控制，现有技术主要采用的方式包括检测纺丝电流以及仿真时进行传递函数的求解：专利CN102582293A中提出了一种电纺直写闭环控制系统及控制方法，用来提高纺丝渗流喷射稳定性和纳米纤维直径均匀性，通过检测纺丝电流获取射流喷射状态，依据纺丝电流变化调节施加电压和供液流速，避免了各干扰因素的影响，实现纺丝射流的长时间稳定喷射，即，采用微弱电流检测器作为反馈单元，再通过与数据库数据对比调整工艺参数。专利CN102393648A公布了一种基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法，采用仿真得出的结果进行传递函数的求解，并返回控制有限元模型控制纤维直径。

然而，进一步的研究表明，尽管上述现有解决方案能在一定程度上对纺丝过程中纤维的直径、均匀性等进行控制，但仍然存在以下的技术问题：采用检测纺丝电流方式的，由于只是采用微弱电流检测器作为反馈单元，再通过与数据库数据对比调整工艺参数，只能间接的提供控制信息进行纤维的直径控制；同时由于与经验函数进行比较，容易造成较大的误差；并且由于电流数值较小，较小的噪声影响都会造成纺丝大的波动；而通过仿真时进行传递函数求解方式的，只进行的是虚拟控制，不能在实验装置上实现。可见，现有技术中还没有在实际操作中准确度高、能用于电纺丝直写工艺的闭环控制方法。本发明正是针对这一问题，提出一种实际有效的电纺丝直写控制方法，实现射流直写过程中的闭环控制，保证结构的均匀和喷射的稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，其中通过对其关键工艺步骤譬如反馈参数类别、参数反馈方式、控制方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决电纺丝直写工艺闭环控制难的问题，达到控制方法简单、控制准确度高的技术效果。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线：

首先，用高速相机按一定拍摄帧率拍摄得到多组射流和泰勒锥的照片；接着，从所述多组射流和泰勒锥的照片拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线；

(2)在纺丝过程对射流中心线进行控制：

首先，采用高速相机捕获实际射流照片，并由控制计算机对所述捕获的实际射流照片进行图像处理、提取射流中心线数据，该射流中心线数据即为实际射流中心线；

然后，比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线，接着采用PID控制器调节基板运动速度，并使所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线之间的误差小于或者等于设定值；

(3)在纺丝过程对泰勒锥轮廓进行控制：

首先，采用高速相机捕获实际泰勒锥轮廓照片，并由控制计算机对所述捕获的实际泰勒锥轮廓照片进行图像处理、提取泰勒锥的轮廓数据，该泰勒锥的轮廓数据即为实际泰勒锥的轮廓；

然后，比较所述实际泰勒锥的轮廓和所述拟合泰勒锥的轮廓曲线，接着采用PID控制器调节电压，使所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓之间的误差小于或者等于设定值。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线，具体包括：

首先，对喷射电压、基板运动速度、流量进行初始设定，保持基板匀速运动，然后进行初次喷射，待纺丝在匀速基板上稳定沉积时，用高速相机按一定拍摄帧率拍摄得到多组射流和泰勒锥的照片；

接着，由控制计算机对所述拍摄得到的多组射流和泰勒锥的照片进行图像处理，从中提取得到多组射流的中心线和泰勒锥的轮廓的数据，分别对所述射流的中心线和泰勒锥的轮廓数据求均值，拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中对所述多组射流和泰勒锥的照片进行图像处理，是对每组射流和泰勒锥分别以一定的横坐标或者纵坐标间隔对射流中心线和泰勒锥轮廓曲线进行坐标标记，再将所述多组射流和泰勒锥相应横坐标或者纵坐标对应的纵坐标值或者横坐标值分别相加取平均值，即得到所述射流的中心线和泰勒锥的轮廓数据的平均值。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线，是对所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线按一定的纵坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线相应纵坐标的横坐标值。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中比较所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓，是对所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓按一定的横坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓相应横坐标的纵坐标值。

在静电纺丝直写中，射流在空间呈“悬链线”状，这对采用视觉反馈控制提供了可能性。另外，由于射流在空间容易受到气流、放电等现象的干扰进而发生运动变化(如抖动等)，这对于保持纺丝图案一致是十分不利的，因此必须要采用合适的控制方法保证射流的稳定，进而保证纺丝图案一致。在本发明所构思的以上技术方案中，通过采取平均值的方法可以有效去除空气流动、电子中和等现象对射流溶液的干扰，获得射流的初始值作为参考值，再以该参考值对泰勒锥和射流进行控制。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于是根据实际喷射时流体的变化，将喷嘴处的液体分成泰勒锥和射流两部分进行单独控制，即采用高速相机进行形态检测，并将末端信息直接反馈给控制器，能够分别对影响射流和泰勒锥最关键的因素基板运动速度和喷射电压进行调控，第一级反馈是通过单独调节基板的运动速度控制射流中心线位置，第二级反馈是通过单独调节电压控制泰勒锥轮廓，从而对电纺丝直写工艺进行闭环控制，使纺丝形貌保持稳定。现有技术中已知射流宽度对纺丝形貌的影响，本发明选择控制射流中心线和泰勒锥轮廓以影响纺丝的形貌，对射流中心线的精确控制能够精确控制纺丝的定位，并提高纺丝定位精度；对泰勒锥轮廓的精确控制能够获得直径精确控制的纺丝，获得目标形貌的纺丝，使对静电纺丝的复杂控制简单化，对取得控制纤维形貌和直径、从而制备高精度阵列化图案的有益效果。纺丝过程中，射流中心线和泰勒锥轮廓的变化迅速，本发明通过高速相机拍摄并对拍摄帧率及拍摄组数进行优选，经数据拟合得到射流中心线、泰勒锥轮廓数据，即保证了采集数据的准确，也简化了操作，实际操作简单、可行。

附图说明

图1是电纺丝直写工艺闭环控制装置的结构示意图，图1中1为流量泵，2为导管，3金属针头，4为高压发生器，5为光源，6为收集板，7为运动平台，8为控制计算机，9为高速相机；

图2是电纺丝直写工艺闭环控制方法的控制框图；

图3是高速相机采集到的射流和泰勒锥形态图片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，电纺丝直写工艺闭环控制装置包括：流量泵1，导管2，金属针头3，高压发生器4，光源5，收集板6，运动平台7，控制计算机8，高速相机9。其中，流量泵1上安装有注射器，并通过导管2连接到金属针头3，使得喷印液体可以按照设定流量进行供给；高压发生器4的正极接在金属针头3上，负极接在收集板6上，使得两极之间产生电场而引发喷射，另一方面由控制电缆连接控制计算机8进行电压加载的控制；收集板6安放在运动平台7上，由其带动形成图案轨迹，控制计算机8对运动平台7的运动进行控制；光源5安置在喷嘴的一侧，高速相机9安装在喷嘴的另一侧，三者成一条直线，保证收集板6运动时其运动轨迹与和该直线呈十字交叉(即呈90°夹角)，便于拍摄。高速相机9拍摄到的图片输送到控制计算机8上进行处理。

电纺丝直写工艺闭环控制方法的步骤如下：

(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线：

首先，对工艺参数喷射电压、基板运动速度、流量进行设定，保持收集板6(即基板)匀速运动，然后进行初次喷射；待纺丝在匀速收集板6上稳定沉积时，用高速相机9按每秒25张的拍摄帧率拍摄得到1000组射流和泰勒锥的照片，拍摄帧率可视高速相机9的帧率而定；

然后，由控制计算机8对所述拍摄得到的1000组射流和泰勒锥的照片进行图像处理，从中提取得到多组射流的中心线和泰勒锥的轮廓的数据，即，对每组射流以一定的纵坐标间隔对射流中心线的进行坐标标记，再将所述1000组射流相应纵坐标对应的横坐标值相加取平均值，即得到所述射流的中心线的平均值；再对每组泰勒锥以一定的横坐标间隔对泰勒锥轮廓曲线进行坐标标记，再将所述1000组泰勒锥相应横坐标对应的纵坐标值相加取平均值，即得到所述泰勒锥的轮廓数据的平均值；对所述射流的中心线的平均值和所述泰勒锥的轮廓数据的平均值分别进行拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线。上述横、纵坐标轴可根据图片的像素进行设定，这里采用图像左下角像素元点作为坐标原点，竖直向上为纵坐标轴，水平向右为横坐标轴；

(2)在纺丝过程对射流中心线进行控制：

首先，采用高速相机9捕获实际射流照片，并由控制计算机8对所述捕获的实际射流照片进行图像处理、提取射流中心线数据，该射流中心线数据即为实际射流中心线；

然后，比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线，即，对所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线按一定的纵坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线相应纵坐标的横坐标值，两者的差值(即相应纵坐标对应的横坐标的差值)即为误差；采用PID控制器调节基板运动速度，控制计算机8实时将调节后的基板运动速度参数输入运动平台7的伺服系统，使误差小于或者等于设定值0.05mm；

(3)在纺丝过程对泰勒锥轮廓进行控制：

然后，比较所述实际泰勒锥的轮廓和所述拟合泰勒锥的轮廓曲线，接着采用PID控制器调节电压，使所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓之间的误差小于或者等于设定值。

首先，采用高速相机9捕获实际泰勒锥轮廓的照片，并由控制计算机8对所述捕获的实际泰勒锥轮廓照片进行图像处理、提取泰勒锥的轮廓数据，该泰勒锥的轮廓数据即为实际泰勒锥的轮廓；

然后，比较所述实际泰勒锥的轮廓和所述拟合泰勒锥的轮廓曲线，即，对所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓按一定的横坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓相应横坐标的纵坐标值，两者的差值(即相应纵坐标对应的横坐标的差值)即为误差；接着采用PID控制器调节高压发生器4，使误差小于或者等于0.05mm。

图2是电纺丝直写工艺闭环控制方法的控制框图，具体的控制方式为两级控制方式的闭环方式，第一级针对射流，以射流作为副控对象，对射流偏转影响最大的基板运动速度作为调节器，采用PID算法作为速度控制方法；第二级针对泰勒锥，以泰勒锥射流作为主控对象，对泰勒锥影响最大的喷射电压作为调节器，采用PID算法作为电压控制方法；对射流和泰勒锥进行传感的传感器均为高速工业相机9。

图3为高速相机采集到的射流和泰勒锥形态。可以明显看出泰勒锥和射流区别巨大，进行串级控制完全合理可行。

通过上述电纺丝直写工艺闭环控制方法，能够实现射流直写过程中的闭环控制，保证结构的均匀和喷射的稳定，控制纤维形貌和直径，实现基于静电喷印技术制备高精度阵列化图案的有益效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线：

首先，用高速相机按一定拍摄帧率拍摄得到多组射流和泰勒锥的照片；接着，从所述多组射流和泰勒锥的照片拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线；

(2)在纺丝过程对射流中心线进行控制：

首先，采用高速相机捕获实际射流照片，并由控制计算机对所述捕获的实际射流照片进行图像处理、提取射流中心线数据，该射流中心线数据即为实际射流中心线；

然后，比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线，接着采用PID控制器调节基板运动速度，并使所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线之间的误差小于或者等于设定值；

(3)在纺丝过程对泰勒锥轮廓进行控制：

首先，采用高速相机捕获实际泰勒锥轮廓照片，并由控制计算机对所述捕获的实际泰勒锥轮廓照片进行图像处理、提取泰勒锥的轮廓数据，该泰勒锥的轮廓数据即为实际泰勒锥的轮廓；

然后，比较所述实际泰勒锥的轮廓和所述拟合泰勒锥的轮廓曲线，接着采用PID控制器调节电压，使所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓之间的误差小于或者等于设定值。

2.如权利要求1所述的电纺丝直写工艺闭环控制方法，所述步骤(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线，具体包括：

首先，对喷射电压、基板运动速度、流量进行初始设定，保持基板匀速运动，然后进行初次喷射，待纺丝在匀速基板上稳定沉积时，用高速相机按一定拍摄帧率拍摄得到多组射流和泰勒锥的照片；

接着，由控制计算机对所述拍摄得到的多组射流和泰勒锥的照片进行图像处理，从中提取得到多组射流的中心线和泰勒锥的轮廓的数据，分别对所述射流的中心线和泰勒锥的轮廓数据求均值，拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线。

3.如权利要求2所述的电纺丝直写工艺闭环控制方法，所述步骤(1)中对所述多组射流和泰勒锥的照片进行图像处理，是对每组射流和泰勒锥分别以一定的横坐标或者纵坐标间隔对射流中心线和泰勒锥轮廓曲线进行坐标标记，再将所述多组射流和泰勒锥相应横坐标或者纵坐标对应的纵坐标值或者横坐标值分别相加取平均值，即得到所述射流的中心线和泰勒锥的轮廓数据的平均值。

4.如权利要求1所述的电纺丝直写工艺闭环控制方法，所述步骤(2)中比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线，是对所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线按一定的纵坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际射流中心线和所述拟合射流中心线相应纵坐标的横坐标值。

5.如权利要求1－3所述的电纺丝直写工艺闭环控制方法，所述步骤(3)中比较所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓，是对所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓按一定的横坐标间隔进行坐标标记，接着再比较所述实际泰勒锥轮廓和所述拟合泰勒锥轮廓相应横坐标的纵坐标值。