CN109321987B - 一种电纺直写交流微控制设备及其方法 - Google Patents

一种电纺直写交流微控制设备及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于静电纺丝技术领域。一种电纺直写交流微控制设备及其方法，该设备的可控注射泵稳定固定于XYZ轴三维可控平台的Z轴上，注射方向与Z轴平行并保持铅垂，所述接收板置于XYZ轴三维可控平台的XY平台上并稳固接触，运动时无相对滑动，所述接收板与可控交流变频控制电源电路相连，所述XYZ轴三维可控平台和可控交流变频控制电源电路均与计算机相连，其中XYZ轴三维可控平台的XYZ轴通过计算机进行移动控制。该方法根据微控制需求由可控交流变频控制电源电路输出相应交流电压信号，本发明能够实现精准的机械精度控制。

Description

一种电纺直写交流微控制设备及其方法
技术领域
本发明涉及一种通过交流电进行微控制的电纺直写设备及其控制方法，属于静电纺丝技术领域。
背景技术
随着人类社会的发展，对于器件的研究等已从原来的大型工业器件逐步转向小型器件，到现如今微纳米器件的研究与制备成为当今的主流的热点方向，而其中如何实现有机微纳米结构的快速和精确的制造是当前有机微纳米系统制造集成技术研究的热点问题。在微纳米结构制造技术中，直写技术是一种备受关注的技术，其不需要模板以及光刻工艺的特性，在很多方面都具有很大的优势，近场静电纺丝直写是一种能够运用于多种材料的直写技术，因为其广泛的运用能力和其简便的工艺流程以及其特性，是目前极具各界关注的一项直写技术，近场静电纺丝直写既具备静电纺丝的特性即纤维直径可以达到纳米级别也克服了传统静电纺丝的不可控特性，其利用近场电压使其能够进行准确的纤维沉积定位，在医药、微传感器、柔性电子、MEMS系统等维纳领域有着巨大的发展前景。目前对于近场静电纺丝直写的控制大部分是采用XY轴联动，其依赖于高精传动装置进行插补拟合曲线，另外，由于机械的限制在接近纳米纤维数量级的微控制无法实现。
发明内容
为此，需要提供一种电纺直写交流微控制设备,采用XYZ轴三维可控平台，配合可控交流变频控制电源电路，从而能够实现三维立体轨迹，并且在纤维直径层面上实现精准的机械精度控制。本发明还提供了一种电纺直写交流微控制方法，利用交流电的模拟量优势以及电场力，实现电纺直写快速调控及微小控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种电纺直写交流微控制设备，包括高压电源、可控注射泵、计算机、XYZ轴三维可控平台、可控交流变频控制电源电路和接收板，所述可控注射泵稳定固定于XYZ轴三维可控平台的Z轴上，注射方向与Z轴平行并保持铅垂，所述接收板置于XYZ轴三维可控平台的XY平台上并稳固接触，运动时无相对滑动，所述接收板与可控交流变频控制电源电路相连，所述XYZ轴三维可控平台和可控交流变频控制电源电路均与计算机相连，其中XYZ轴三维可控平台的XYZ轴通过计算机进行移动控制。
进一步的，所述的接收板由两部分组成：接收底板A和交流微控头B，交流微控头B放置于接收底板A之下，交流微控头B紧邻接收底板A，交流微控头B与接收底板A之间具有一层绝缘层。
进一步的，所述接收板的接收底板A随XY平台运动，且该接收底板与地相连。
进一步的，所述接收板的交流微控头B呈十字状，每个凸头有一极小范围第一电极片，第一电极片面积在10-100μm2；所述交流微控头B的十字交叉处有一极小范围第二电极片，第二电极片面积为10-100μm2。
进一步的，所述交流微控头B上除第一电极片、第二电极片面积之外的其余为绝缘体并与地相连。
进一步的，所述交流微控头B的十字交点中心即几何中心在Z轴方向与可控注射泵装载针筒完毕后的针尖处于一条直线上，即两者皆位于同一条铅垂线上，且不随XY平台移动。
进一步的，接收板中接收底板A与地连接；交流微控头B十字结构同轴两头为一组，分别为第一组电极片和第二组电极片，每组两头电极片分别与可控交流变频控制电路相位相差180°交流电压输出连接；十字结构交点电极片为第三组电极片，第三组电极片与可控交流变频控制电源电路的可控正负极电压输出接口连接。
本发明还提供了一种电纺直写交流微控制方法，根据微控制需求由可控交流变频控制电源电路输出相应频率、相应幅值、相应相位、以及相应波形的交流电压信号，利用电场力引导近场电纺纤维发生微小偏转，与XYZ轴三维可控平台、计算机以及可控注射泵协同运动使其运行轨迹达到理想轨迹。
区别于现有技术，上述技术方案具有以下有益效果：
在本发明中，由于在近场静电纺丝直写过程中采用了交流模拟量电压信号作为控制手段，使得可以在直写过程中得到很好的直写轨迹精度和其控制精度可以接近于纤维直径层面，并且只需要根据目标轨迹通过计算机计算并使得可控交流变频控制电源电路输出不同幅值、频率、相位、波形的交流电压信号加载于接收板上的交流微控头B各个电极片上，就可以使其控制垂直于XY平面运动方向的位移重量、位移速度、过程状态等，具备很高的经济效益。另外，由于采用负电极进行引导直写纤维，同时还消除了近场电纺直写由于电荷堆积所造成的直写偏移。
附图说明
图1为本发明实施例1或2电纺直写交流微控制设备示意图。
图2为本发明实施例1或2电纺直写交流微控制设备接收板与XY可动平面层级示意图。
图3为本发明实施例1或2电纺直写交流微控制设备交流微控头B结构与所接交流电压示意图。
图4为本发明实施例1中电纺直写交流微控制设备及其方法直写轨迹示意图。
图5为本发明实施例1中电纺直写交流微控制设备及其方法控制电源电压波形图。
图6为本发明实施例2中电纺直写交流微控制设备及其方法直写轨迹示意图。
图7为本发明实施例2中电纺直写交流微控制设备及其方法控制电源电压波形图。
附图标记说明：
1.高压电源、2.可控注射泵、3.计算机、4.XYZ轴三维可控平台、5.可控交流变频控制电源电路、6.接收板、7绝缘层。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1至图3所示，本实施例1或2中采用的电纺直写交流微控制设备包括高压电源1、可控注射泵2、计算机3、XYZ轴三维可控平台4、可控交流变频控制电源电路5和接收板6，接收板有两部分：接收底板A和交流微控头B，其中计算机3与可控注射泵2、XYZ轴三维可控平台4和可控交流变频控制电源电路5连接，可控注射泵2稳定固定于XYZ轴三维可控平台4的Z轴上，注射方向与Z轴平行并保持铅垂，高压电源1用于给可控注射泵2上所夹载的注射器针尖提供正极高压，该注射器针尖上的正极高压与接收板6的接收底板A接的地线形成电场，用于近场电纺直写驱动力。所述接收板6置于XYZ轴三维可控平台4的XY平台上并稳固接触，运动时无相对滑动，但是该接受板6的接收底板A放置在XYZ轴三维可控平台4的XY可控平面上，可随XY平台运动，且该接收底板与地相连。交流微控头B放置于接收底板A与XYZ轴三维可控平台4的XY可控平面之下；交流微控头B紧邻接收底板A所放置的XY可控平面；交流微控头B与接收底板A之间具有一层绝缘层，即接收板6与XYZ轴三维可控平台4的XY可控平面的空间位置关系为四层式，最上层为接收底板A，从上往下依次为XY可控平面、绝缘层7、交流微控头B。交流微控头B呈十字状，每个凸头有一极小范围电极片面积在10-100μm2，在十字交叉处有一极小范围电极片面积为10-100μm2，除电极片之外交流微控头B其余部分皆为绝缘体并与地相连，交流微控头B的十字交点中心即几何中心在Z轴方向应与可控注射泵2装载针筒完毕后的针尖处于一条直线上，即两者皆位于同一条铅垂线上，且不随XY平台移动。接收板6与可控交流变频控制电源电路5相连。交流微控头B十字结构同轴两头为一组，每组两头电极片分别与可控交流变频控制电路相位相差180°交流电压输出连接；十字结构交点电极片与可控交流变频控制电源电路5的可控正负极电压输出接口连接。
根据目标轨迹利用计算机3与可控交流变频控制电源电路5输出所需的幅值、频率、相位、波形的交流电压信号，利用电场力引导近场电纺纤维发生微小偏转，与XYZ轴三维可控平台4与计算机3以及可控注射泵2协同运动使其运行轨迹达到理想轨迹。
具体实施方式及实施效果如下：
实施例1：
步骤A、将配制好的有机溶液装入注射针筒中，装配相应合适的针头，装夹在可控注射泵(2)上。
步骤B、利用计算机3移动XYZ轴三维可控平台4的Z轴使注射针头与接收底板A两极间距处于20mm距离。
步骤C、加载正极高压2KV，根据目标轨迹运用计算机3控制可控交流变频控制电源电路5输出幅值为1V，频率为0.15HZ正弦波，其初始相位为0，同时控制XY平面沿X轴方向以0.35cm/s的速度运动，可控注射泵2的推进速度为20μL/hr。
步骤D、直写纺丝得到纤维轨迹。示意图如图4所示。
实施例2：
步骤A、将配制好的有机溶液装入注射针筒中，装配相应合适的针头，装夹在可控注射泵2上。
步骤B、利用计算机3移动XYZ轴三维可控平台4的Z轴使注射针头与接收底板A两极间距处于20mm距离。
步骤C、加载正极高压2KV，根据目标轨迹运用计算机3控制可控交流变频控制电源电路5输出幅值为1V，频率为0.08HZ正弦波，其初始相位为0，同时控制XY平面沿Y轴方向以0.35cm/s的速度运动，可控注射泵2的推进速度为20μL/hr。
步骤D、直写纺丝得到纤维轨迹。示意图如图6所示。
从上述实施例1和实施例2的纤维轨迹可以看出，采用了本实施例的设备及方法后，由于本实施例中，将接收板分为了两部分：接收底板A和交流微控头B，接收板与XYZ轴三维可控平台的XY可控平面的空间位置关系为四层式，最上层为接收底板A，从上往下依次为XY可控平面、绝缘层、交流微控头B，交流微控头B呈十字状，每个凸头和十字交叉处有一极小范围电极片面积为10-100μm2，交流微控头B十字结构同轴两头为一组，每组两头电极片分别与可控交流变频控制电路相位相差180°交流电压输出连接；十字结构交点电极片与可控交流变频控制电源电路的可控正负极电压输出接口连接，采用了交流模拟量电压信号作为控制手段，整个接收板在XY平台上并稳固接触，运动时无相对滑动，因此保证了近场静电纺丝直写的稳定性，其次，该接收底板A放置在XYZ轴三维可控平台4的XY可控平面上，可随XY平台运动，则满足了接近纤维直径层面上对于纺丝的精准位移，从而能够有效修正静电纺丝过程中的位移偏差，保证了机械控制的精准性能。同时，本实施例采用了十字交叉结构的交流微控制头B，并且将交流微控头B十字结构同轴两头为一组，分别为第一组电极片和第二组电极片，每组两头电极片分别与可控交流变频控制电路相位相差180°交流电压输出连接；十字结构交点电极片为第三组电极片，第三组电极片与可控交流变频控制电源电路(5)的可控正负极电压输出接口连接。三组电极片的结构及输出的具有相位相差的交流电压，引入了负压引导解决了近场直写电势堆积所造成的直写纤维偏移，利用交流电的模拟量优势以及电场力的可调控以及快速和可微小控制特性，进一步提高了直写纤维的精准性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：包括高压电源(1)、可控注射泵(2)、计算机(3)、XYZ轴三维可控平台(4)、可控交流变频控制电源电路(5)和接收板(6)，所述可控注射泵(2)稳定固定于XYZ轴三维可控平台(4)的Z轴上，注射方向与Z轴平行并保持铅垂，所述接收板(6)置于XYZ轴三维可控平台(4)的XY平台上并稳固接触，运动时无相对滑动，所述接收板(6)与可控交流变频控制电源电路(5)相连，所述XYZ轴三维可控平台(4)和可控交流变频控制电源电路(5)均与计算机(3)相连，其中XYZ轴三维可控平台(4)的XYZ轴通过计算机(3)进行移动控制。
2.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：所述的接收板(6)由两部分组成：接收底板(A)和交流微控头(B)，交流微控头(B)放置于接收底板(A)之下，交流微控头(B)紧邻接收底板(A)，交流微控头(B)与接收底板(A)之间具有一层绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：所述接收板(6)的接收底板(A)随XY平台运动，且该接收底板与地相连。
4.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：所述接收板(6)的交流微控头(B)呈十字状，每个凸头有一极小范围第一电极片，第一电极片面积在10-100μm2；所述交流微控头(B)的十字交叉处有一极小范围第二电极片，第二电极片面积为10-100μm2。
5.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：所述交流微控头(B)上除第一电极片、第二电极片面积之外的其余为绝缘体并与地相连。
6.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：所述交流微控头(B)的十字交点中心即几何中心在Z轴方向与可控注射泵(2)装载针筒完毕后的针尖处于一条直线上，即两者皆位于同一条铅垂线上，且不随XY平台移动。
7.根据权利要求1所述的一种电纺直写交流微控制设备，其特征在于：接收板(6)中接收底板(A)与地连接；交流微控头(B)十字结构同轴两头为一组，分别为第一组电极片和第二组电极片，每组两头电极片分别与可控交流变频控制电路相位相差180°交流电压输出连接；十字结构交点电极片为第三组电极片，第三组电极片与可控交流变频控制电源电路(5)的可控正负极电压输出接口连接。
8.一种电纺直写交流微控制方法，该方法运用于上述权利要求1至7任一的设备中，其特征在于，根据微控制需求由可控交流变频控制电源电路(5)输出相应频率、相应幅值、相应相位、以及相应波形的交流电压信号，利用电场力引导近场电纺纤维发生微小偏转，与XYZ轴三维可控平台(4)、计算机(3)以及可控注射泵(2)协同运动使其运行轨迹达到理想轨迹。
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