CN109732902A - 一种多模式打印方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳制造领域，提出了一种多模式打印方法及装置，该装置包括供料系统、喷头、收集板和运动控制组件，所述供料系统输送打印材料至喷头，所述喷头设置于所述收集板的上方，所述运动控制组件控制所述喷头和收集板之间在水平方向和竖直方向的相对运动，还包括直流电源和/或交流电源，和电源类型转换开关，所述直流电源和/或交流电源分别通过电源类型控制开关电连接至所述喷头，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源、交流电源或无电源接入。本发明解决了目前打印模式单一，导致的多结构、多材料微纳器件的一体化制造难等问题，为拓展微纳制造技术的应用范围及领域提供了有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造领域，尤其涉及一种多模式打印方法及装置。
背景技术
有机/无机微纳结构的喷印或直写制造，无需模版与曝光流程，具有低成本、大面积、基材适应性强(刚性/柔性/3D基材)、绿色等优势，已经成为新一代柔性电子、微纳传感器件、材料—结构—传感一体化制造、生物组织制造的关键技术，也是微纳制造技术研究的重点领域之一(ZhouPing Yin,YongAn Huang,et al.Inkjet printing for flexibleelectronics:Materials,processes and equipments[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(30):3383-3407.)。
有机/无机微纳器件的结构主要有量子点(0维)、微/纳米纤维(1维)、薄膜(2维)以及多维等，因此针对这些微纳结构的打印技术也得到很多学者的研究，但是目前市场上的打印技术的模式较为单一。例如，纳米纤维近场电纺技术可以实现二维纳米结构的打印，但是可打印材料的粘度一般较低，而且种类也较少；但是液态直写技术可以实现高粘度材料的打印，可打印的材料种类较多，而且可用于三维结构的制造(Mei X,Chen Q,etal.Microscale Weissenberg Effect for High-viscosity Solution Pumping at thePicoliter Level[J].Nanoscale,2018:10.1039.)，因此单一的打印模式限制了可打印材料以及结构的种类，无法适应一些多结构、多材料微纳器件的一体化制造，严重制约了微纳制造技术的应用范围及领域。
发明内容
本发明针对目前打印模式单一，导致多结构、多材料微纳器件的一体化制造难等问题，提供了一种多模式打印方法及装置，解决了目前打印模式单一，导致的多结构、多材料微纳器件的一体化制造难等问题，为拓展微纳制造技术的应用范围及领域提供了有效的解决方案。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多模式打印装置，包括供料系统、喷头、收集板和运动控制组件，所述供料系统输送打印材料至喷头，所述喷头设置于所述收集板的上方，所述运动控制组件控制所述喷头和收集板之间在水平方向和竖直方向的相对运动，还包括直流电源和/或交流电源，和电源类型转换开关，所述直流电源和/或交流电源分别通过电源类型控制开关电连接至所述喷头，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源、交流电源或无电源接入。
进一步的，还包括喷射诱导装置，所述喷射诱导装置能够在喷头下方水平移动。
进一步的，所述喷射诱导装置包括电机和诱导头，所述电机具有一旋转轴，所述旋转轴的轴向平行于所述喷头的轴向，所述诱导头的一端固定连接于所述旋转轴，另一端能够在电机作用下在喷头下方水平移动。
进一步的，还包括用于加热所述收集板的第一加热装置。
进一步的，还包括用于加热所述喷头的第二加热装置。
一种多模式打印方法，基于本发明实施例所述的多模式打印装置，其特征在于：包括四个模式：液体直写模式、近场电纺模式、静电喷雾模式和按需喷墨模式中的一种或多种；
所述液体直写模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为无电源接入，通过运动控制组件控制所述喷头和收集板在竖直方向上的距离小于1mm；
所述近场电纺模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源；
所述静电喷雾模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源；
所述按需喷墨模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为交流电源；
通过电源类型控制开关改变接入所述喷头的电源类型和通过运动控制组件改变所述喷头和收集板在竖直方向上的距离，来实现不同模式之间的转换。
进一步的，所述多模式打印装置还包括用于加热所述收集板的第一加热装置，当处于所述液体直写模式时，通过第一加热装置对所述收集板进行加热。
进一步的，所述多模式打印装置还包括用于加热所述喷头的第二加热装置，当处于所述静电喷雾模式时或从液体直写模式向其他模式转换时，通过第二加热装置对所述喷头内的材料进行加热。
进一步的，所述多模式打印装置还包括喷射诱导装置，当处于所述近场电纺模式和静电喷雾模式时，通过所述喷射诱导装置诱导从所述喷头流出的材料形成初始射流。
进一步的，当从液体直写模式向其他模式转换时：还包括通过喷射诱导装置在喷头下方的水平移动对喷头与收集板之间的打印材料进行切割，以切断喷头与收集板之间的粘接。
本发明采用如上技术方案，解决了目前打印模式单一，导致的多结构、多材料微纳器件的一体化制造难等问题，为拓展微纳制造技术的应用范围及领域提供了有效的解决方案。
附图说明
图1所示为本发明实施例的结构的示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例公开了一种多模式打印装置，包括供液系统(图中不可见)、喷头1、收集板2、运动控制组件、直流电源4、交流电源5和电源类型转换开关6。
所述供液系统输送溶液至喷头1，所述喷头1设置于所述收集板2的上方，所述收集板2用于收集喷头1喷射出的溶液，以形成3D打印的模型，所述供液系统、喷头1和收集板2为现有的3D打印装置中的部件即可，在此不做限制。该实施例中，所述喷头1包括注射器11、喷嘴12和溶液推进装置13，所述注射器11和溶液推进装置13均安装于位于所述收集板2的上方的固定支架1a上，所述溶液推进装置13包括一往复运动的推进杆，所述注射器11包括出口端和用于将溶液向出口段压缩的伸缩端，其出口端连接于喷嘴12，伸缩端连接于所述溶液推进装置13推进杆。通过推进杆对伸缩端的作用，使溶液从喷嘴12流出。
所述运动控制组件控制所述喷头1和收集板2之间在水平方向和竖直方向的相对运动，其中，可以是喷头1和收集板2两者中的其中一个在水平方向和竖直方向运动，也可以是两者中一个在水平方向运动，一个在竖直方向运动，在此不做限制。该实施例中，所述运动控制组件包括水平控制组件31和竖直控制组件32，所述水平控制组件31设置于所述收集板2的下方，用于控制所述收集板2在水平面内的移动，所述竖直控制组件32连接于所述固定支架1a，用于控制所述固定支架1a在竖直方向上的移动，即控制所述喷头1在竖直方向上的移动。所述水平控制组件31和竖直控制组件32可以为常用的电动推杆和滑轨构成，也可以为其他常用的结构，在此不做限制。
所述直流电源4和交流电源5分别通过电源类型控制开关电连接至所述喷头1，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头1的电源类型为直流电源、交流电源或无电源接入。
需要说明的是，在本实施例中接入两种电源类型可以实现四种模式的转换，在其他的实施例中，如果只需要其中的两种或三种转换的情况下，可以只接入其中的一种电源类型，只接入直流电源类型，以实现液体直写模式、近场电纺模式和静电喷雾模式三种模式之间的转换；只接入交流电源类型，以实现液体直写模式和按需喷墨模式两种模式之间的转换。
该实施例中，所述电源类型控制开关为按键控制开关，按下按键0为无电源接入，按下按键1为直流电源4接入，按下按键2位交流电源5接入。在其他的实施例中，也可以采用其他类型的开关，如单刀双掷开关等。
下面对本实施例的四种工作模式进行介绍：
(1)液体直写模式：不需电源接入，因此接入喷头1的电源为电源类型为无电源接入；喷头1与收集板2之间的距离小于1mm，因此需要通过运动控制组件控制所述喷头1和收集板2在竖直方向上的距离小于1mm。至此，收集板2随着水平控制组件31的控制在水平面内运动，形成微结构。
当溶液的浓度较小时，沉积在收集板2上的溶液就会扩散或塌陷，严重影响微结构的形貌及结构，为了解决该问题，该实施例中，优选设置用于加热所述收集板2的第一加热装置，通过第一加热装置在打印的同时对收集板2进行加热，使得沉积在收集板2上的溶液能够快速固化定型，起到保形保性的效果。该实施例中，所述第一加热装置为设置在所述收集板2下方的加热片7，在其他的实施例中，也可以采用其他的加热装置，如加热丝等。
(2)近场电纺模式：需要在喷头1与收集板2之间加上一定的高压直流电场，因此，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头1的电源类型为直流电源4。此时，喷头1喷出的溶液在电场的拉伸作用下形成射流，射流沉积到收集板2上，形成纳米纤维，收集板2随着水平控制组件31的控制在水平面内运动，实现图案化高精度打印。
需要说明的是，在一般情况下，当刚开始施加电压的时候，喷头1端部的溶液由于表面张力等作用并不会立即出现射流，一般会聚集很多的溶液，通过加大电压能够实现喷射，但由于电压过大，一般会出现多股射流等不稳定的现象，因此该实施例中，设置一喷射诱导装置8，用于将所述溶液的表面刺破，以实现稳定的喷射。
该实施例中，所述喷射诱导装置8包括电机81和诱导头82，所述电机81安装于所述固定支架1a的下方，其具有一旋转轴，所述旋转轴的轴向平行于所述喷头1的轴向，所述诱导头82的一端固定连接于所述旋转轴，另一端能够在电机81作用下在喷头1下方水平移动。在施加电压的同时，通过电机81带动诱导头82的旋转，使得诱导头82对喷头1端部喷出的溶液进行刺破。为了使喷头1的端部能够更好的进行刺破，该实施例中，所述端部为扁平状，且其扁平面垂直于所述喷头1的轴向。所述诱导头82与所述喷头1的距离根据溶液的情况进行设定，该实施例中，设定所述诱导头82的靠近喷头1的一端与所述喷头1之间的最小距离小于50微米。
需要说明的是，在该实施例中，所述喷射诱导装置8采用绕轴旋转的诱导头82，在其他的实施例中，所述喷射诱导装置8可以为其他的结构，如采用直线运动的诱导头82。
(3)静电喷雾模式：该模式与近场电纺模式大致相同，区别在于外加的电场强度不同或溶液浓度的范围不同，在近场电纺模式下，通过增加电场强度或降低溶液的浓度等方式，即可达到喷雾的效果，实现纳米颗粒薄膜的制备。
需要说明的是，当该模式下溶液的浓度较大时，就会导致无法雾化，或者喷雾式不连续的问题，为了解决该问题，该实施例中，优选设置用于加热所述喷头1的第二加热装置，该实施例中，所述第二加热装置为设置于注射器11外表面的加热环9。本领域技术人员也可以采用其他的加热装置，在此不做限制。通过第二加热装置对喷头1内液体的加热，可以降低溶液的粘度，以使其达到可以雾化的程度，以实现雾化的效果。
同近场电纺模式相同，该模式下也需要喷射诱导装置8进行诱导初始射流。
(4)按需喷墨(drop-on-demand，DOD)模式：需要在喷头1与收集板2之间加上一定的高压交流电场，因此，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头1的电源类型为交流电源5。此时，喷头1喷出的溶液形成的射流在脉冲电压的作用下断裂形成液滴，并喷射在收集板2上，收集板2随着水平控制组件31的控制在水平面内运动，实现图案化打印。
下面介绍各模式之间的转换：
上述四个模式之间可以进行任意的切换，除下面需要注意的几点外，只需通过电源类型控制开关改变接入所述喷头1的电源类型，和通过运动控制组件改变所述喷头1和收集板2在竖直方向上的距离即可。
(1)当从液体直写模式向其他三种模式转换时：
一方面：由于该模式下喷头1与收集板2之间的距离小于其余三种模式，因此，需要首先增加喷头1和收集板2在竖直方向上的距离，但由于适用于液体直写模式的溶液浓度一般比较大，当在增加距离的时候，因溶液具有弹性不能及时断开，会导致喷头1与收集板2之间的溶液粘结在一起，出现拖拽问题，便会影响后续模式的进行。因此，通过喷射诱导装置8在喷头1下方的水平移动对喷头1与收集板2之间的溶液进行切割，可以切断喷头1与收集板2之间的粘接，避免对其他模式产生影响。同时，该喷射诱导装置8在其他三个模式中还可以起到诱导射流的作用。
另一方面：当液体直写模式的溶液浓度较大时，就会出现在转换至近场电纺模式时出现多股射流、转换至静电喷雾模式时出现不连续，转换至按需喷墨模式时出现拉不断，无法形成液滴，因此，可以启动第二加热装置对喷头1内的溶液进行加热，以降低粘度，保证转换的正常进行。
(2)当从其他三种模式向液体直写模式转换时：由于沉积在收集板2上的溶液会扩散或者塌陷，因此，需要在打印的同时启动第一加热装置，使得沉积在收集板2上的溶液快速固化，起到保形保性的效果。
本实施例实现了液体直写模式、近场电纺模式、静电喷雾模式和按需喷墨模式四种模式之间的自由转换，并解决了各模式之间转换时出现的溶液拖拽、残留、诱导难、电压类型转换难、溶液粘度不匹配等问题，以适应不同微纳器件的打印需求。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多模式打印装置，包括供料系统、喷头、收集板和运动控制组件，所述供料系统输送打印材料至喷头，所述喷头设置于所述收集板的上方，所述运动控制组件控制所述喷头和收集板之间在水平方向和竖直方向的相对运动，其特征在于：还包括直流电源和/或交流电源，和电源类型转换开关，所述直流电源和/或交流电源分别通过电源类型控制开关电连接至所述喷头，所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源、交流电源或无电源接入。
2.根据权利要求1所述的多模式打印装置，其特征在于：还包括喷射诱导装置，所述喷射诱导装置能够在喷头下方水平移动。
3.根据权利要求2所述的多模式打印装置，其特征在于：所述喷射诱导装置包括电机和诱导头，所述电机具有一旋转轴，所述旋转轴的轴向平行于所述喷头的轴向，所述诱导头的一端固定连接于所述旋转轴，另一端能够在电机作用下在喷头下方水平移动。
4.根据权利要求1所述的多模式打印装置，其特征在于：还包括用于加热所述收集板的第一加热装置。
5.根据权利要求1所述的多模式打印装置，其特征在于：还包括用于加热所述喷头的第二加热装置。
6.一种多模式打印方法，基于权利要求1所述的多模式打印装置，其特征在于：包括四个模式：液体直写模式、近场电纺模式、静电喷雾模式和按需喷墨模式中的一种或多种；
所述液体直写模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为无电源接入，通过运动控制组件控制所述喷头和收集板在竖直方向上的距离小于1mm；
所述近场电纺模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源；
所述静电喷雾模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为直流电源；
所述按需喷墨模式为：所述电源类型控制开关控制接入所述喷头的电源类型为交流电源；
通过电源类型控制开关改变接入所述喷头的电源类型和通过运动控制组件改变所述喷头和收集板在竖直方向上的距离，来实现不同模式之间的转换。
7.根据权利要求6所述的多模式打印方法，其特征在于：所述多模式打印装置还包括用于加热所述收集板的第一加热装置，当处于所述液体直写模式时，通过第一加热装置对所述收集板进行加热。
8.根据权利要求6所述的多模式打印方法，其特征在于：所述多模式打印装置还包括用于加热所述喷头的第二加热装置，当处于所述静电喷雾模式时或从液体直写模式向其他模式转换时，通过第二加热装置对所述喷头内的材料进行加热。
9.根据权利要求6所述的多模式打印方法，其特征在于：所述多模式打印装置还包括喷射诱导装置，当处于所述近场电纺模式和静电喷雾模式时，通过所述喷射诱导装置诱导从所述喷头流出的材料形成初始射流。
10.根据权利要求9所述的多模式打印方法，其特征在于：当从液体直写模式向其他模式转换时：还包括通过喷射诱导装置在喷头下方的水平移动对喷头与收集板之间的打印材料进行切割，以切断喷头与收集板之间的粘接。
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