CN108437637A - 一种螺旋微流道电流体喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋微流道电流体喷头，属于电流体打印领域，包括：金属探针和第一外筒；金属探针包括针体、针尖和圆台；针体为圆柱体，针体的圆周面上设有第一外螺纹；针尖设于针体下端，第一外螺纹延伸至针尖上部；圆台设于针体上端且与针体同轴；第一外筒包括第一储液池和探针安装孔；第一储液池设有第一输液口；探针安装孔从上至下贯通第一储液池，以使第一外螺纹的一部分位于第一储液池内；探针安装孔位于第一储液池以下部分的内壁直径等于第一外螺纹大径，与第一外螺纹配合围成第一螺旋微流道；使用状态下，针尖位于探针安装孔下端外部。本发明通过在探针外表面设置螺纹与外筒内壁配合形成螺旋微流道，使得针尖尺度相比于传统针管的针尖可以做的更小从而提升打印精度。

Description

一种螺旋微流道电流体喷头

技术领域

本发明属于电流体打印领域，更具体地，涉及一种用于电流体喷印头，其能够实现进给流量的精密控制，提高电流体喷印分辨率，实现多层同轴喷印的喷头组合。

背景技术

传统的喷墨打印技术主要采用压电式和热气泡式喷墨原理。压电式喷墨打印是通过压电晶体的收缩和膨胀变形，使墨水从喷孔喷出，热气泡式喷墨打印是通过电脉冲把小墨仓加热到一定程度，墨水中产生气泡把墨水挤压出来。液体具有表面张力，打印出的液滴都大于喷头出口直径。使得打印分辨率低，对液体的浓度、粘度都有要求。

电流体喷印技术是基于电流体动力学，在喷头处施加强电压，基板接地，在喷头和基板之间形成强电场。喷头内流体受到向下的重力和电场力作用，在喷嘴处形成泰勒锥，当流体受到的电场力大于液体表面张力和与喷头内壁粘着力时，液体会向下喷出，形成大缩颈比的射流。射流直径远小于喷头内径。可以实现微纳米高精度打印。电流喷印法制得的同轴纳米纤维包括纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带与纳米电缆，由于其比表面积大、表面能和活性大，具有小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，进而在化学、物理性质方面表现出特异性，广泛应用于过滤、传感、催化、组织工程、防护服、先进光电子元件、微机电系统电感元件以及药物输送等技术领域但是目前电流体打印设备存在如下缺点：

一是传统喷头均为空心针管构造，其流道是管状，由于加工精度的限制，很难再将喷头内径做的更细，难以实现微量供墨。同时，由于针管流道的开口位于针尖的尖端，针尖的尺度受到针管管壁厚度以及内径的限制，针尖很难做的更小，造成打印精度受到限制。

二是当需要打印复合溶液时，需要用到同轴喷头，即多个针管同轴嵌套构成的喷头。用同轴喷头打印复合溶液时，“同轴度”和“内外针管的相对长度”这两个参数是实现复合溶液高分辨率打印的关键。但目前的同轴喷头，由于内针管一端悬空于外针管内部，而且在打印过程中由于溶液流动影响，导致内外针管的同轴度一直在动态变化，并且，内外针管的相对长度不可调，同样难以满足打印精度要求。

三是喷头使用完毕后，喷头处的溶液容易凝固，造成喷头堵塞，且因为针管的内孔尺寸一般都是微米级，一旦喷头堵塞，很难清洗干净，不得不更换喷头，造成资源的严重浪费，增加了生产成本。

发明内容

针对现有技术中针管式喷头打印精度难以满足要求、溶液易堵塞喷头的不足，本发明提供了一种螺旋微流道电流体喷头，其目的在于通过在探针外表面设置螺纹与外筒内壁配合形成螺旋微流道，将流道出口从针尖内部转移至针尖外部，从而消除传统针管构造对针尖尺寸的限制，使得针尖尺度相比于传统针管的针尖可以做的更小，同时利用探针与外筒的配合实现径向定位，保证同轴度，从而提升打印精度；并且由于螺旋微流道是由探针外表面螺纹与外筒内壁配合形成，易于拆卸和清洗，无需频繁更换探针，从而延长使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供了一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括：金属探针和第一外筒；

金属探针包括针体、针尖和圆台；针体为圆柱体，针体的圆周面上设有第一外螺纹；针尖设于针体下端，第一外螺纹延伸至针尖上部；圆台设于针体上端且与针体同轴；

第一外筒包括第一储液池和探针安装孔；第一储液池设有第一输液口；探针安装孔从上至下贯通第一储液池，以使第一外螺纹的一部分位于第一储液池内；探针安装孔位于第一储液池以下部分的内壁直径等于第一外螺纹大径，与第一外螺纹配合围成第一螺旋微流道；使用状态下，针尖位于探针安装孔下端外部。

进一步地，针体圆周面上等间距设置至少两个第一外螺纹。

进一步地，针体下端设有m个沿针体下端周向等间距分布的针尖，针体上等间距设置m×n个第一外螺纹，各第一外螺纹下端均匀分散于m个针尖上部，每个针尖上部连接n个第一外螺纹，m≥2，n≥1。

进一步地，包括轴圈，针体上部固定于轴圈中；

探针安装孔位于第一储液池以上的部分设置有与探针安装孔同轴的轴圈安装孔，轴圈安装孔与轴圈螺纹配合。

进一步地，包括轴圈，轴圈内设有圆槽；

针体上端设有圆台，圆台与针体同轴设置；

针体放入轴圈中且在轴向位置固定，圆台与圆槽间隙配合，可在圆槽内以轴线为旋转轴转动；

探针安装孔上部同轴设置有轴圈安装孔，轴圈安装孔与轴圈螺纹配合。

进一步地，探针顶端设有金属旋钮，用于通过导线连接电极以及取放和旋转探针。

进一步地，包括第二外筒；

第一外筒包括从上至下同轴设置的第一大圆柱筒体、第一小圆柱筒体和第一锥状头部，第一储液池位于第一大圆柱筒体内；第一小圆柱筒体的圆周面上设有第二外螺纹，第二外螺纹下端延伸至第一锥状头部；

第二外筒包括第二储液池和第一外筒安装孔；第二储液池设有第二输液口；第一外筒安装孔从上至下贯通第二储液池，以使第二外螺纹的一部分位于第二储液池内；第一外筒安装孔位于第二储液池以下部分的内壁直径等于第二外螺纹大径，与第二外螺纹配合围成第二螺旋微流道；第一外筒安装孔位于第二储液池以上的部分与第一大圆柱筒体螺纹配合；

使用状态下，第一锥状头部位于第一外筒安装孔下端外部，针尖位于第一锥状头部下端外部且第一锥状头部与针尖平滑过渡。

进一步地，包括N个外筒，分别为第一外筒、第二外筒、...、第N外筒，N≥3；

第N-1外筒包括从上至下同轴设置的第N-1大圆柱筒体、第N-1小圆柱筒体和第N-1锥状头部，第N-1储液池位于第N-1大圆柱筒体内；第N-1小圆柱筒体的圆周面上设有第N外螺纹，第N外螺纹下端延伸至第N-1锥状头部；

第N外筒包括第N储液池和第N-1外筒安装孔；第N储液池设有第N输液口；第N-1外筒安装孔从上至下贯通第N储液池，以使第N外螺纹的一部分位于第N储液池内；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以下部分的内壁直径等于第N外螺纹大径，与第N外螺纹配合围成第N螺旋微流道；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以上的部分与大圆柱筒体螺纹配合；使用状态下，第N-1锥状头部位于第N-1外筒安装孔下端外部。

与现有技术中使用空心针管探头的电流体同轴喷头相比，本发明具备以下优势：

1、相比于传统的液体在针头内部空心管道内流动而限制针尖尺寸，本发明由于将流道布置于探针表面，因此探针可以为实心金属针，从而可以扩大探针针体的直径，便于流道加工；同时，使得针尖尺寸不受流道限制，能够达到微米级甚至亚微米级，且比现有技术的针尖更微小，从而提高分辨率。由于本发明的针尖尺寸更微小，更容易形成泰勒锥，从而能够进一步降低启动电压，节约能源。

2、采用本发明的喷头，液体在探针和针管之间的螺旋流道流动，保证了液体微量供应，弥补了精密流量泵精度不够的缺陷，实现了微流量进给，提高了液体控制精度，克服了现有技术中液体流量供应精度不足的问题，从而进一步提高打印效率。

3、通过在探针外部等距设置两个以上的第一外螺纹，可以在针尖上部形成均匀分布的供液口，从而使得流向针尖的液体更加均匀，更易控制，从而提高打印精度。

4、本发明通过轴圈与探针安装孔上部螺纹配合，将探针安装于轴圈中，可以借由轴圈与探针的螺纹配合来调节探针伸出外筒的相对长度，操作简单；而当喷头暂时不用时，可将探针向上扭出一部分，使针尖缩入外筒中，从而可以防止液体长时间与空气接触发生反应或形成固化；再次使用时，只需将探针再次旋出即可。

5、探针可以在外筒中旋转，一方面更利于溶液流出，另一方面结合多针尖设置可以配合探针旋转运动设计出多种打印图案，扩展打印功能。

6、若喷头发生堵塞，传统电喷印喷头的针管内径都是几十微米级，很难将喷头内堵塞物清除干净，而本发明的螺旋微流道供墨的同轴锥形电流体喷头由探针外部的螺纹与外筒的内壁配合组成，可以拆卸清洗，从而重复使用，绿色环保，降低成本。

7、本发明通过在第一外筒外部设置螺纹，与第二外筒内壁配合形成第二螺旋微流道，可以实现双材料复合打印，并且由于探针被第一外筒径向固定，第一外筒被第二外筒径向固定，可以保证打印过程中探针、第一外筒、第二外筒的同轴度不会因液体流动而动态变化，从而提高同轴复合打印的精度；同理，多个外筒嵌套也能够在实现多材料复合打印的同时保证同轴度的稳定性。

附图说明

图1为本发明第一实施例的外筒、探针、轴圈组合示意图；

图2为图1中的外筒结构示意图；

图3为图1中的探针结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为图1中的轴圈结构示意图；

图6为本发明第二实施例的同轴多针尖示意图；

图7为图6的B-B剖视图；

图8为本发明第三实施例的双层嵌套喷头示意图；

图9为本发明第四实施例的三层嵌套喷头示意图。

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。

如图1～5所示，为本发明的第一实施例。本发明一种螺旋微流道电流体喷头包括第一外筒1、探针2、轴圈3三部分。

请参照图1和图2，第一外筒1包括第一外筒内螺纹11、第一输液口12、第一储液池13、探针安装孔14和筒体15，第一储液池13在一侧开输液口12，溶液从输液口12流入储液池13。

请参照图3和图4，探针2包括旋钮21、圆台22、针体23、第一外螺纹24、针尖25。在本实施例中，探针2轴向长度与第一外筒1轴向长度相同。针体23为圆柱体，针体23的圆周面上设有第一外螺纹24；针尖25设于针体23下端，第一外螺纹24延伸至针尖25上部；圆台设于针体23上端且与针体23同轴；旋钮21设于探针2顶端，即圆台22上部。

请参照图5，轴圈3包括圆槽31、轴圈外螺纹32、轴圈本体33、密封圈安装槽34。

安装时，将探针2从轴圈3大口装入，使圆台22与圆槽31配合。然后将轴圈3装入第一外筒上部，使轴圈外螺纹32与第一外筒内螺纹11配合。将探针2装入第一外筒1，探针安装孔14从上至下贯通第一储液池13，故第一外螺纹24的一部分位于第一储液池13内；探针安装孔14位于第一储液池13以下部分的内壁优选设为光滑壁面，其直径等于第一外螺纹24大径，与第一外螺纹24配合围成第一螺旋微流道。本实施例设有四条第一外螺纹24，最终在针体23下端沿圆周均匀分布与针尖25上部，从而均匀稳定供墨。根据实际供墨量需求，第一外螺纹24的数量也可以设置其他任意数量。

探针2的圆台22直径与轴圈内圆槽31处直径相同。第一外筒11内螺纹和轴圈外螺纹32相同。第一外螺纹24大径与第一外筒14内壁直径相同。安装后，探针2与第一外筒1内壁之间形成螺旋形微流道。

所述探针2接高压正电极，导线一端接旋钮，另一端接接高压正电极。基板接地。在针尖25与基板4之间形成强电场。溶液从供墨孔12流入储液池13，再经由螺旋形流道流到针尖25，溶液在螺旋形流道流动过程中，与带电探针2接触，使溶液带正电，溶液汇聚到针尖25处，受到电场力作用后向基板4喷出。根据溶液的性质和电场强弱，可以实现点喷、纺丝和喷雾。

此外，在本实施例中，在轴圈3上部设置一个环状盖板挡于圆台22上表面，进行打印时，正转轴圈3使针尖25位于探针2安装孔下端外部。不使用探针时，反转轴圈3，由于圆台22下表面与圆槽31底面配合从而使得轴圈3上升时带动探针2上升。在其他实施例中(未图示)，安装喷头时，将旋钮21连接旋转驱动机构，直接利用旋转驱动机构限制探针2向上的自由度，在工作时将探针2推进至工作位置，同时根据设定的打印程序带动探针2旋转或停止旋转。

请参照图6和图7，为本发明的第二实施例，其与第一实施例在于，同一根探针设置两个关于探针轴线对称的子针尖251，即可以实现平行打印，改变探针的旋转速度和基板平台的移动速度，可以设计不同的打印图案。例如，双针尖时，两针尖的连线与平台移动方向的角度不同，可以得到不同间距的平行线。当两针尖处于同一移动路线时，又可以实现同路径的二次打印。再例如，打印过程中，旋转中间探针，并移动平台，可以形成重叠错位环。平台移动速度不同，重叠区域大小不同。本实施例中四条第一外螺纹24等距分布，延伸至针体23下端后，每个子针尖251上分布两个供液口。在其他实施例中，也可以每个子针尖251上分布一个供液口，或者设置更多的子针尖及第一外螺纹。

如图8所示，为本发明的第三实施例，其与第一实施例区别在于，包括第一外筒101、第二外筒102，其中，第一外筒102包括第一储液池1011、第一大圆柱筒体1012、第一小圆柱筒体1013、第一锥状头部1014、第二外螺纹1015。第二外筒包括第二储液池1021。即，将第一实施例的原外筒变为中间层外筒，具有独立的输液口，储液池和螺旋微流道。第二外螺纹1012与第二外筒102的内壁配合形成第二螺旋微流道，与第一外螺纹24和第一外筒101内壁形成的螺旋微流道配合实现双液体复合打印。第一外筒101底部设有凸台，与第二外筒102顶部的卡槽螺纹配合，便于安装以及控制第一外筒101和第二外筒102的相对长度。

如图9所示，为本发明的第四实施例，其在第三实施例的基础上进一步增加了第三外筒103，配置了三层螺旋微流道，从而实现三溶液复合打印。其中，第二外筒102包括第二储液池1021、第二大圆柱筒体1022、第二小圆柱筒体1023、第二锥状头部1024、第三外螺纹1025。第三外螺纹1025与第三外筒103的内壁配合形成第三螺旋微流道。

在第三和第四实施例的基础上，还可以扩展更多层。总得来说，扩展规律如下：当需要N种溶液复合打印时，设置N个外筒，分别为第一外筒、第二外筒、...、第N外筒，N≥3。

第N-1外筒包括从上至下同轴设置的第N-1大圆柱筒体、第N-1小圆柱筒体和第N-1锥状头部，第N-1储液池位于第N-1大圆柱筒体内；第N-1小圆柱筒体的圆周面上设有第N外螺纹，第N外螺纹下端延伸至第N-1锥状头部。

第N外筒包括第N储液池和第N-1外筒安装孔；第N储液池设有第N输液口；第N-1外筒安装孔从上至下贯通第N储液池，以使第N外螺纹的一部分位于第N储液池内；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以下部分的内壁直径等于第N外螺纹大径，与第N外螺纹配合围成第N螺旋微流道；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以上的部分与大圆柱筒体螺纹配合；使用状态下，第N-1锥状头部位于第N-1外筒安装孔下端外部。同时，每一层的大圆柱筒体底部有凸台，与下一层的大圆柱筒体顶部卡槽之间通过螺纹连接。

在其他实施例中(未图示)，喷头可以选择夹持安装固定。能适应不同直径的喷头安装。

在其他实施例中(未图示)，所述24探针为金属材料，直径100微米。25针尖处锥度可以取1/3～1/5。针尖处直径可以达到微米级或亚微米级。

在其他实施例中(未图示)，可在输液口内设置内螺纹，将导管旋入输液口中，保证密封，或者采用密封圈或密封胶的方式进行密封。

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 (8)

1.一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括：金属探针和第一外筒；

金属探针包括针体、针尖和圆台；针体为圆柱体，针体的圆周面上设有第一外螺纹；针尖设于针体下端，第一外螺纹延伸至针尖上部；圆台设于针体上端且与针体同轴；

第一外筒包括第一储液池和探针安装孔；第一储液池设有第一输液口；探针安装孔从上至下贯通第一储液池，以使第一外螺纹的一部分位于第一储液池内；探针安装孔位于第一储液池以下部分的内壁直径等于第一外螺纹大径，与第一外螺纹配合围成第一螺旋微流道；使用状态下，针尖位于探针安装孔下端外部。

2.如权利要求1所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，针体圆周面上等间距设置至少两个第一外螺纹。

3.如权利要求2所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，针体下端设有m个沿针体下端周向等间距分布的针尖，针体上等间距设置m×n个第一外螺纹，各第一外螺纹下端均匀分散于m个针尖上部，每个针尖上部连接n个第一外螺纹，m≥2，n≥1。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括轴圈，针体上部固定于轴圈中；

探针安装孔位于第一储液池以上的部分设置有与探针安装孔同轴的轴圈安装孔，轴圈安装孔与轴圈螺纹配合。

5.如权利要求1～3任意一项所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括轴圈，轴圈内设有圆槽；

针体上端设有圆台，圆台与针体同轴设置；

针体放入轴圈中且在轴向位置固定，圆台与圆槽间隙配合，可在圆槽内以轴线为旋转轴转动；

探针安装孔上部同轴设置有轴圈安装孔，轴圈安装孔与轴圈螺纹配合。

6.如权利要求5所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，探针顶端设有金属旋钮，用于通过导线连接电极以及取放和旋转探针。

7.如权利要求1～6任意一项所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括第二外筒；

第一外筒包括从上至下同轴设置的第一大圆柱筒体、第一小圆柱筒体和第一锥状头部，第一储液池位于第一大圆柱筒体内；第一小圆柱筒体的圆周面上设有第二外螺纹，第二外螺纹下端延伸至第一锥状头部；

第二外筒包括第二储液池和第一外筒安装孔；第二储液池设有第二输液口；第一外筒安装孔从上至下贯通第二储液池，以使第二外螺纹的一部分位于第二储液池内；第一外筒安装孔位于第二储液池以下部分的内壁直径等于第二外螺纹大径，与第二外螺纹配合围成第二螺旋微流道；第一外筒安装孔位于第二储液池以上的部分与第一大圆柱筒体螺纹配合；

使用状态下，第一锥状头部位于第一外筒安装孔下端外部，针尖位于第一锥状头部下端外部且第一锥状头部与针尖平滑过渡。

8.如权利要求7所述的一种螺旋微流道电流体喷头，其特征在于，包括N个外筒，分别为第一外筒、第二外筒、...、第N外筒，N≥3；

第N-1外筒包括从上至下同轴设置的第N-1大圆柱筒体、第N-1小圆柱筒体和第N-1锥状头部，第N-1储液池位于第N-1大圆柱筒体内；第N-1小圆柱筒体的圆周面上设有第N外螺纹，第N外螺纹下端延伸至第N-1锥状头部；

第N外筒包括第N储液池和第N-1外筒安装孔；第N储液池设有第N输液口；第N-1外筒安装孔从上至下贯通第N储液池，以使第N外螺纹的一部分位于第N储液池内；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以下部分的内壁直径等于第N外螺纹大径，与第N外螺纹配合围成第N螺旋微流道；第N-1外筒安装孔位于第N储液池以上的部分与大圆柱筒体螺纹配合；使用状态下，第N-1锥状头部位于第N-1外筒安装孔下端外部。