CN106626767B - 一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明属于电流体喷印喷头相关技术领域，其公开了一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头。所述气流辅助电喷印喷头包括进液筒、气罩、金属针头、导电线、电极罩及环形电极。所述进液筒连接于所述气罩且部分收容于所述气罩内。所述气罩的两端分别连接所述进液筒及所述电极罩；所述金属针头一端与所述进液筒形成螺纹连接，另一端穿过所述气罩伸入所述电极罩内；所述导电线的一端连接于高压电源，另一端穿过所述进液筒连接于所述金属针头；所述环形电极嵌设在所述电极罩内，且其通过接地来将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头中。本发明的气流辅助电喷印喷头通过设置有环形电极而具有接地电极，使得收集基板不用接地，提高应用范围及灵活性。

Description

一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头

技术领域

本发明属于电流体喷印喷头相关技术领域，更具体地，涉及一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头。

背景技术

喷墨打印技术是一种增材制造方法，可以很好的应用于柔性制造领域。最初，喷墨打印技术是在图形艺术中开发的；现在，喷墨打印技术已经得到很好的改进，在电子、光学、生物工程等方面都有广泛的应用。喷墨打印设备由于具有节省材料、环境友好、操作简单等优点，近年来得到广泛应用。传统的喷墨打印技术存在喷印打印分辨率低、液滴尺寸受限于喷嘴直径、喷嘴容易堵塞、喷嘴制造工艺复杂等缺点。与传统的喷墨打印技术相比，电流体动力喷墨打印技术能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。同时，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等更多种材料，使得其应用范围更加宽广，如柔性电子制造、陶瓷元件制造、组织工程等。

电流体喷印技术应用电流体动力学机理，利用电场将液体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的液体会受到电致切应力的作用；当局部电荷力超过液体表面张力后，带电液体从喷嘴处喷射，然后破裂成液柱或者小液滴。通过改变流速、电压、液体性质和喷嘴结构，可形成具有不同射流形状和破碎机理的电流体喷印模式，即电纺丝、电点喷和电喷雾。

但目前的电喷印喷嘴绝大数采用金属喷嘴和收集基板间形成高压电场，以完成电喷印过程。如此要保证喷嘴和收集基板之间形成稳定均匀的高压电场，就要求收集基板必须为导电材料且收集基板表面必须均匀平整。这种模式的喷嘴就无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上完成打印。相应地，本领域存在着发展一种能够在绝缘基板或自由曲面的基板上完成打印的气流辅助电喷印喷头。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其基于电流体喷印喷嘴的工作特点，针对气流辅助电喷印喷头的结构及部件连接关系进行了设计。所述气流辅助电喷印喷头通过内设环形电极以将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头内，扩大了收集基板的选择范围，提高了应用范围及灵活性；通过安装不同厚度的环形电极即可来调节环形电极与金属针头之间的距离，操作方便；采用对中机构来提高金属针头相对气流以及环形电极的对中精度，提高气流的稳定性；通过形成的缓冲室及锥形气流通道来实现对气流的缓冲及聚焦，提高了打印质量。此外，透明的玻璃罩与开设于电极罩的观测孔相配合既可以约束气流，又可以保证对打印过程中的泰勒锥的实时观测。

为实现上述目的，本发明提供了一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其包括进液筒、气罩、金属针头、导电线、电极罩及环形电极，其特征在于：

所述进液筒为阶梯状的圆柱体，其连接于所述气罩且部分收容于所述气罩内，同时，所述进液筒还分别连接于气流接头及溶液接头；所述进液筒还开设有第一通孔，所述第一通孔位于所述进液筒的中心轴的一侧；

所述气罩的两端分别连接所述进液筒及所述电极罩，其与所述电极罩共同用于收容所述金属针头；所述金属针头的一端与所述进液筒收容于所述气罩内的一端形成螺纹连接，另一端穿过所述气罩伸入所述电极罩内；所述导电线的一端连接于高压电源，另一端穿过所述第一通孔电性连接于所述金属针头；所述环形电极嵌设在所述电极罩内，其邻近所述金属针头，此外，所述环形电极通过接地来将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头中。

进一步的，所述环形电极的厚度为0.5mm～2.5mm，通过安装不同厚度的所述环形电极来调节所述金属针头与所述环形电极之间沿所述气流辅助电喷印喷头的中心轴的距离。

进一步的，所述金属针头与所述环形电极之间沿所述气流辅助电喷印喷头的中心轴的距离为0mm～2mm。

进一步的，所述气流辅助电喷印喷头还包括对中机构，所述对中机构收容于所述气罩及所述电极罩内，其包括连接于所述进液筒的对中座及连接于所述对中座的对中针头；所述金属针头包括螺纹连接于所述进液筒的针头底座及连接于所述针头底座的针管，所述针管穿过所述对中机构，且其与所述对中座及所述对中针头之间均为间隙配合。

进一步的，所述针管与所述溶液接头相连通，溶液经所述进液筒进入所述针管。

进一步的，所气流辅助电喷印喷头还包括橡胶垫片及抵靠在所述橡胶垫片上的玻璃罩，所述橡胶垫片内嵌于所述气罩的底端，所述玻璃罩呈漏斗状，其收容于所述电极罩内且其与所述电极罩之间为过盈配合。

进一步的，所述电极罩螺纹连接于所述气罩，通过旋紧所述电极罩及所述气罩来使所述玻璃罩贴合在所述橡胶垫片上，以保证气流通道的气密性；所述电极罩开设有观测孔，所述观测孔沿垂直于所述电极罩的中心轴的方向贯穿所述电极罩；所述玻璃罩是由透明玻璃材料制成的，所述观测孔与透明的所述玻璃罩相配合以保证对打印过程中的泰勒锥的观测。

进一步的，所述对中结构呈锥形，所述气罩、所述对中机构、所述橡胶垫片及所述玻璃罩之间形成锥形气流通道，经所述进液筒缓冲后的气流进入所述锥形气流通道，所述锥形气流通道用于将气流聚焦到所述金属针头的尖端部分，进而使气流作用于所述金属针头打印的溶液。

进一步的，所述锥形气流通道的过渡表面均为光滑圆弧过渡面，以避免气流涡流的产生。

进一步的，所述进液筒开设有与所述气流接头相连通的环形槽及多个与所述环形槽相连通的第二通孔，所述环形槽与所述气罩之间形成缓冲室，所述缓冲室用于对来自所述气流接头的气流进行缓冲后输出到所述第二通孔；所述第二通孔与所述锥形气流通道相连通，且多个所述第二通孔围绕所述进液筒的中心轴均匀排布。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其通过内设环形电极以将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头内，扩大了收集基板的选择范围，提高了应用范围及灵活性；通过安装不同厚度的环形电极即可来调节环形电极与金属针头之间的距离，操作方便；采用对中机构来提高金属针头相对气流以及环形电极的对中精度，提高气流的稳定性；通过形成的缓冲室及锥形气流通道来实现对气流的缓冲及聚焦，提高了打印质量。此外，透明的玻璃罩与开设于电极罩的观测孔相配合既可以约束气流，又可以保证对打印过程中的泰勒锥的实时观测。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头的剖面示意图。

图2是图1中的气流辅助电喷印喷头的局部剖视图。

图3是图1中的气流辅助电喷印喷头的进液筒的俯视图。

图4是图3中的进液筒的剖面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-进液筒，11-凸出体，111-第一凹槽，112-第二通孔，113-第二螺纹孔，12-连接体，121-环形槽，122-连接螺纹，13-底盘，131-第一通孔，132-第一螺纹孔，133-第三螺纹孔，2-气罩，3-金属针头，31-针头底座，32-针管，4-导电线，5-对中机构，51-对中座，52-对中针头，6-橡胶垫片，7-玻璃罩，8-电极罩，9-环形电极。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，所述气流辅助电喷印喷头包括进液筒1、气罩2、金属针头3、导电线4、对中机构5、橡胶垫片6、玻璃罩7、电极罩8及环形电极9，所述气罩2的两端分别连接于所述进液筒1及所述电极罩8，所述进液筒1的中心轴、所述气罩2的中心轴及所述电极罩8的中心轴重合。所述对中机构5连接于所述进液筒1收容于所述气罩2内的一端，其两端分别收容于所述气罩2及所述电极罩8内。所述玻璃罩7收容于所述电极罩8内，其与所述环形电极9相对设置，所述环形电极9收容于所述电极罩8远离所述进液筒1的一端内。所述金属针头3的一端连接于所述进液筒1，另一端穿过所述对中机构5后收容于所述玻璃罩7内。所述导电线4的一端伸入所述进液筒1且与所述金属针头3电性连接。

请参阅图3及图4，所述进液筒1分别连接于气流接头及溶液接头，其基本呈阶梯状的圆柱体。所述进液筒1包括凸出体11、连接体12及底盘13，所述连接体12的两端分别连接于所述凸出体11及所述底盘13。

所述凸出体11连接于所述金属针头3及所述对中机构5，其远离所述底盘13的一侧开设有第一凹槽111，所述第一凹槽111用于收容所述金属针头3。所述凸出体11还开设有多个间隔设置的第二通孔112，多个所述第二通孔112围绕所述凸出体11的中心轴均匀排布，使得流经多个所述第二通孔112的气流相对于所述凸出体11的中心轴均匀排布。所述第二通孔112为气流的流通提供流道。本实施方式中，所述第二通孔112的数量为六个；可以理解，在其他实施方式中，所述第二通孔12的数量可以根据实际需要增加或者减少；所述凸出体11呈阶梯状的圆柱体。

所述连接体12呈圆柱状，其开设有与所述第二通孔112相连通的环形槽121，所述环形槽121与所述气罩2相配合形成用于缓冲气流的缓冲室。所述连接体12的外周面形成有连接螺纹122，所述连接螺纹122与所述气罩2形成螺纹连接，使所述进液筒1与所述气罩2相连接。

所述底盘13连接于所述气流接头及所述溶液接头。所述底盘13开设有第一螺纹孔132，所述第一螺纹孔132用于连接所述溶液接头。本实施方式中，所述第一螺纹孔132的中心轴与所述底盘13的中心轴重合。所述底盘13与所述连接体12共同开设有第三螺纹孔133，所述第三螺纹孔133贯穿所述底盘13且与所述环形槽121相连通。所述第三螺纹孔133用于连接所述气流接头。本实施方式中，所述第三螺纹孔133的中心轴与所述第一螺纹孔132的中心轴之间设置有预定距离。

所述进液筒1开设有贯所述第一凹槽111的底面且与所述第一螺纹孔132相连通的第二螺纹孔113。所述第二螺纹孔113与所述金属针头3形成螺纹连接，以使所述进液筒1与所述金属针头3相连接。本实施方式中，所述第二螺纹孔113的中心轴与所述第一螺纹孔132的中心轴重合。所述进液筒1还开设有与所述第一凹槽111相连通的第一通孔131，所述第一通孔131贯穿所述底盘13、所述连接体12及所述凸出体11，其用于供所述导电线4穿过。本实施方式中，所述第一通孔131与所述第三螺纹孔133分别位于所述第一螺纹孔132的两侧；所述导电线4的一端穿过所述第一通孔131后电性连接于所述金属针头3，另一端连接于高压电源，所述导电线4将其接通的高压电导通到所述金属针头3上。

所述气罩2基本呈锥形，其包括连接于所述进液筒1的第一圆柱段、第一锥形段及连接于所述第一锥形段及所述电极罩8的凸出段，所述第一锥形段连接所述凸出段及所述第一圆柱段。所述第一圆柱段开设有第一阶梯槽，所述第一阶梯槽形成有第一阶梯面，所述连接体12抵靠在所述第一阶梯面上。所述第一阶梯槽的内壁面上形成有第一内螺纹，所述第一内螺纹与所述连接螺纹122形成螺纹连接，使所述进液筒1连接于所述气罩2。所述连接体12及所述凸出体11收容于所述第一阶梯槽内，所述环形槽121与所述第一阶梯槽的内壁形成所述缓冲室，所述缓冲室对自所述第三螺纹孔133进入的气体起缓冲作用。

所述第一锥形段开设有与所述第一阶梯槽相连通的第一锥形腔，所述第一锥形腔用于收容部分所述对中机构5及所述金属针头3。所述凸出段开设有与所述第一锥形腔相连通的收容孔，所述收容孔用于收容所述橡胶垫片6，所述橡胶垫片6抵靠在所述收容孔的底面。本实施方式中，所述凸出段的外周面形成有第一外螺纹，所述第一外螺纹与所述电极罩8形成螺纹连接，使所述气罩2与所述电极罩8相连接。

所述金属针头3包括连接于所述进液筒1的针头底座31及所述连接于所述针头底座31的针管32，所述金属针头3开设有贯穿所述针头底座31及所述针管32的针孔，所述针孔与所述第二螺纹孔113相连通。所述针头底座31的外周形成有第二外螺纹，所述第二外螺纹与所述第二螺纹孔113形成螺纹连接，使所述金属针头3与所述进液筒1相连接。所述针管32远离所述针头底座31的一端穿过所述对中机构5后收容于所述玻璃罩7内。

本实施方式中，所述金属针头3设有一组具有不同直径的可替换针头，对于不同外径规格的所述金属针头3配备有与之对应的不同内径规格的所述对中机构5的对中针头52。所述金属针头3可以方便拆装和清洗，并且可以更换不同内径的不锈钢针头作为喷嘴，实现喷嘴的内径的快速调节以方便进行实验或者其他用途，提高了灵活性。

所述导电线4两端分别连接高压电源及所述金属针头3，其收容于所述第一通孔131内。所述对中机构5包括连接于所述进液筒1的对中座51及与所述对中座51形成螺纹连接的所述对中针头52。所述对中座51基本呈锥形，其开设有第一阶梯孔，所述第一阶梯孔邻近所述进液筒1的一端的内壁形成的内螺纹与所述进液筒1的凸出体11外周的外螺纹形成螺纹连接，使所述对中机构5与所述进液筒1相连接。所述对中针头52的外周上形成的外螺纹与所述第一阶梯孔朝向所述玻璃罩7的一端的内壁上的内螺纹形成螺纹连接，使所述对中针头52与所述对中座51相连接。所述对中针头52开设有与所述第一阶梯孔相连通的对中针孔，所述针管32穿过所述第一阶梯孔及所述对中针孔，且所述针管32与所述第一阶梯孔及所述对中针孔之间均为间隙配合，以保证所述金属针头3的对中精度，提高气流的稳定性。

所述玻璃罩7基本呈漏斗状，其台阶部抵紧所述橡胶垫片6。所述玻璃罩7用于约束气流。本实施方式中，所述玻璃罩7是由透明的玻璃材料制成的，其便于观察打印过程中的泰勒锥。所述玻璃罩7开设有与所述第一锥形腔相连通的第二锥形腔，所述第二锥形腔用于供气体流动。所述气罩2、所述对中机构5、所述橡胶垫片6及所述玻璃罩7之间形成锥形气流通道，所述锥形气流通道对自所述第二通孔112流入的气体进行有效的聚焦。

本实施方式中，气体经所述第三螺纹孔133流入所述缓冲室以进行缓冲，缓冲后的气体经多个所述第二通孔112流入所述锥形气流通道，并经所述锥形气流通道聚焦到所述金属针头3的尖端部分，以作用于所述金属针头3打印的溶液，提高溶液的打印精度。所述锥形气流通道的过渡表面均为光滑圆弧过渡面，可保证气流顺利流动，避免气流涡流的产生，降低气流的干扰，有利于提高气流的约束作用及增强打印溶液射流的稳定性。

所述电极罩8基本呈锥形，其朝向所述气罩2的一端开设有第二阶梯槽，所述第二阶梯槽用于收容所述凸出段。所述第二阶梯槽的内壁形成有第二内螺纹，所述第二内螺纹与所述第二阶梯槽的第一外螺纹形成螺纹连接，使所述电极罩8与所述气罩2相连接。所述玻璃罩7的台阶部设置在所述第二阶梯槽的底面上，通过旋紧所述电极罩8及所述气罩2，使所述玻璃罩7与所述橡胶垫片6紧密贴合，保证气流通道的气密性。

所述电极罩8还开设有与所述第二阶梯槽相连通的贯穿孔，所述贯穿孔用于供部分所述玻璃罩7穿过。所述玻璃罩7与所述贯穿孔之间为过盈配合。所述电极罩8还开设有与所述贯穿孔相连通的锥形孔，所述锥形孔的底面开设有贯穿所述电极罩8远离所述进液筒1的表面的第二阶梯孔，所述环形电极9嵌设于所述第二阶梯孔内，其抵靠在所述第二阶梯孔的阶梯面上，同时，所述环形电极9还外套在所述玻璃罩7的底端。

所述电极罩8还开设有观测孔，所述观测孔沿垂直于所述电极罩8的中心轴的方向贯穿所述电极罩8。所述观测孔与所述锥形孔及所述第二阶梯孔均相连通。所述观测孔与透明的所述玻璃罩7相配合来约束气流，同时又能够保证对打印过程中的泰勒锥的观测，有助于更好的调节工艺参数来保证打印的稳定性。

所述环形电极9是由金属材料制成的，其厚度为0.5mm～2.5mm，通过安装不同厚度的所述环形电极9来调节所述金属针头3与所述环形电极9之间的轴向距离(即沿所述气流辅助电喷印喷头的中心轴的距离)，其轴向距离的可调节范围为0mm～2mm。所述环形电极9接地时，则将接地电极集成到所述气流辅助电喷印喷头中，收集基板不用接地，同时收集基板可以为绝缘材料制成的任意曲面基板或者非曲面板；当所述环形电极9带有低的正电压时，收集基板为平面基板且接地，所述环形电极9带有的低正电压可以对打印出来的带电液滴起约束作用，提高打印精度。本实施方式中，进液筒1、所述气罩2及所述电极罩8是由绝缘材料制成的；所述环形电极9及所述金属针头3是由导电金属材料制成的。

本发明提供的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其通过内设环形电极以将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头内，扩大了收集基板的选择范围，提高了应用范围及灵活性；通过安装不同厚度的环形电极即可来调节环形电极与金属针头之间的距离，操作方便；采用对中机构来提高金属针头相对气流以及环形电极的对中精度，提高气流的稳定性；通过形成的缓冲室及锥形气流通道来实现对气流的缓冲及聚焦，提高了打印质量。此外，透明的玻璃罩与开设于电极罩的观测孔相配合既可以约束气流，又可以保证对打印过程中的泰勒锥的实时观测。

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 (10)

1.一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其包括进液筒、气罩、金属针头、导电线、电极罩及环形电极，其特征在于：

所述进液筒为阶梯状的圆柱体，其连接于所述气罩且部分收容于所述气罩内，同时，所述进液筒还分别连接于气流接头及溶液接头；所述进液筒还开设有第一通孔，所述第一通孔位于所述进液筒的中心轴的一侧；

所述气罩的两端分别连接所述进液筒及所述电极罩，其与所述电极罩共同用于收容所述金属针头；所述金属针头的一端收容于所述进液筒内且与所述进液筒形成螺纹连接，另一端穿过所述气罩伸入所述电极罩内，所述进液筒与所述金属针头螺纹连接的一端收容于所述气罩内；所述导电线的一端连接于高压电源，另一端穿过所述第一通孔电性连接于所述金属针头；所述环形电极嵌设在所述电极罩内，其邻近所述金属针头，此外，所述环形电极通过接地来将接地电极集成在所述气流辅助电喷印喷头中。

2.如权利要求1所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述环形电极的厚度为0.5mm～2.5mm，通过安装不同厚度的所述环形电极来调节所述金属针头与所述环形电极之间沿所述气流辅助电喷印喷头的中心轴的距离。

3.如权利要求2所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述金属针头与所述环形电极之间沿所述气流辅助电喷印喷头的中心轴的距离大于等于0mm且小于等于2mm。

4.如权利要求1-3任一项所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述气流辅助电喷印喷头还包括对中机构，所述对中机构收容于所述气罩及所述电极罩内，其包括连接于所述进液筒的对中座及连接于所述对中座的对中针头；所述金属针头包括螺纹连接于所述进液筒的针头底座及连接于所述针头底座的针管，所述针管穿过所述对中机构，且其与所述对中座及所述对中针头之间均为间隙配合。

5.如权利要求4所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述针管与所述溶液接头相连通，溶液经所述进液筒进入所述针管。

6.如权利要求4所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所气流辅助电喷印喷头还包括橡胶垫片及抵靠在所述橡胶垫片上的玻璃罩，所述橡胶垫片内嵌于所述气罩的底端，所述玻璃罩呈漏斗状，其收容于所述电极罩内且其与所述电极罩之间为过盈配合。

7.如权利要求6所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述电极罩螺纹连接于所述气罩，通过旋紧所述电极罩及所述气罩来使所述玻璃罩贴合在所述橡胶垫片上，以保证气流通道的气密性；所述电极罩开设有观测孔，所述观测孔沿垂直于所述电极罩的中心轴的方向贯穿所述电极罩；所述玻璃罩是由透明玻璃材料制成的，所述观测孔与透明的所述玻璃罩相配合以保证对打印过程中的泰勒锥的观测。

8.如权利要求6所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述对中机构呈锥形，所述气罩、所述对中机构、所述橡胶垫片及所述玻璃罩之间形成锥形气流通道，经所述进液筒缓冲后的气流进入所述锥形气流通道，所述锥形气流通道用于将气流聚焦到所述金属针头的尖端部分，进而使气流作用于所述金属针头打印的溶液。

9.如权利要求8所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述锥形气流通道的过渡表面均为光滑圆弧过渡面，以避免气流涡流的产生。

10.如权利要求8所述的集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头，其特征在于：所述进液筒开设有与所述气流接头相连通的环形槽及多个与所述环形槽相连通的第二通孔，所述环形槽与所述气罩之间形成缓冲室，所述缓冲室用于对来自所述气流接头的气流进行缓冲后输出到所述第二通孔；所述第二通孔与所述锥形气流通道相连通，且多个所述第二通孔围绕所述进液筒的中心轴均匀排布。