CN110641154B - 一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流体喷印技术领域，具体涉及一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，包括喷嘴、入气壳体、出气壳体以及整流壳体；所述喷嘴针管贯穿整流壳体后设于出气壳体内；所述入气壳体设有第一气室；所述出气壳体设有第二气室以及气流通道；所述喷嘴针管设于气流通道；所述整流壳体设有整流孔；所述第一气室内设有加热组件；所述入气壳体设有气流入口；与所述出气壳体在第二气室处设有测温孔；所述测温孔内设有测温传感器；所述测温传感器以及加热组件均与温度控制器电性连接；所述温度控制器根据测温传感器测量的温度控制加热组件工作。通过上述设置实现了固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头。

Description

一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头

技术领域

本发明涉及电流体喷印技术领域，具体涉及一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头。

背景技术

喷印技术早期应用于打印平面文本图像，随着喷印技术的不断完善，最近已经可以用于打印一些简单的电子器件，但其面对着许多困难和挑战，如墨料的配置，基板的选择，溶剂挥发的可控性等。传统的喷印技术采用“推”的模式，存在着喷头堵塞，射流不稳定等问题。电流体动力打印作为一种新型的喷印制造方式，相比传统喷墨打印有着制造成本低，打印分辨率高，打印材料范围广等的优势。

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。

基于电流体喷印工艺，目前有研究者提出了“一种集成有接地电极的气流辅助电喷印喷头”，申请号为201611126421.4。该喷头集成有接地电极环，将原本施加在基板上的接地极集成到喷头中，扩大了收集基板的选择范围，提高了应用范围及其灵活性，便于在曲面及绝缘基板上进行打印；采用气流辅助的方式，利用气流的约束力克服指向接地电极环的径向分力，避免射流喷射到接地电极环上。但在实际应用中，该喷头还存在以下缺点：

1)该喷头结构很难保证喷嘴与气流的管道的对中，喷嘴与气流的管道的对中度对气流的影响极大，在安装的过程中，由于针头与环形电极之间沿喷头的中心轴存在一定距离，因此气流通道与针头的对中精度太小，辅助气流偏斜，射流周围存在不均匀的受力，直接影响射流的飞行轨迹，直接影响喷头的打印精度。

2)在打印过程中，由于表面张力的作用，溶液会浸润到喷嘴外壁，甚至沿喷嘴外壁漫延。溶液的浸润会使打印的射流尺寸受到影响，这种情况直接影响喷头打印精度的控制，降低了喷头打印的尺寸精度。

还有研究者提出了“一种静电纺丝辅助成型装置”，申请号为201820860518.6，该喷头对喷射气流进行加热，在喷头附近喷射温度、流量可控的环状气流，稳定射流，减少射流鞭动，利用气流辅助对射流拉伸的速度和干燥速度进行控制，帮助控制纳米纤维的成型，提高纺丝质量。但该喷头的反馈调节装置设于加热装置处，温度测量不准确，且通入气流种类单一。

现有的气流辅助电喷头存在诸多问题，可以总结以下几点：

1）对射流纤维的固化程度的控制考虑较少，目前存在通过在气腔中放置加热装置与测温传感器，但是所测温度为气腔内温度，而非出气端温度，所测数值不准确；

2）气流辅助通道与喷嘴对中情况不好，不均匀的受力会对射流轨迹产生很大的影响；

3）当温度升高时，再通入普通气体极易发生电击穿，因此需要设计出一种既能够准确测量辅助气流温度，又能有效提高击穿电压的气流辅助喷头，通过准确测量辅助气流温度进而准确调控喷印过程中射流固化程度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，包括喷嘴、入气壳体、与入气壳体连接的出气壳体以及设于入气壳体与出气壳体之间的整流壳体；

所述喷嘴包括喷嘴壳体以及与喷嘴壳体连通的喷嘴针管；所述喷嘴壳体与整流壳体连接；所述喷嘴针管贯穿整流壳体后设于出气壳体内；

所述入气壳体设有第一气室；所述出气壳体设有第二气室以及与第二气室连通的气流通道；所述喷嘴针管设于气流通道；所述整流壳体设有用于使第一气室与第二气室连通的整流孔；

所述第一气室内设有加热组件；所述入气壳体设有第一气室连通的气流入口；与所述出气壳体在第二气室处设有测温孔；所述测温孔内设有用于测量第二气室温度的测温传感器；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括温度控制器；所述测温传感器以及加热组件均与温度控制器电性连接；所述温度控制器根据测温传感器测量的温度控制加热组件工作。

本发明进一步设置为，所述加热组件包括设于第一气室内的弧形侧壁以及缠绕在弧形侧壁上的加热电阻丝；所述弧形侧壁由入气壳体延伸而成；

所述入气壳体设有与第一气室连通的过线孔；所述加热电阻丝通过导线穿过过线孔后与温度控制器连接；所述过线孔内设有密封胶塞。

本发明进一步设置为，所述密封胶塞的两端均延伸有凸台。

本发明进一步设置为，所述弧形侧壁的数量为四个；四个弧形侧壁等间距设于第一气室内。

本发明进一步设置为，所述整流壳体的外壁与第一气室之间设有隔热层；所述隔热层为纳米陶瓷。

本发明进一步设置为，所述整流壳体的顶部与入气壳体之间设有第一密封圈；所述整流壳体的底部与入气壳体之间设有第二密封圈；所述整流壳体与出气壳体之间设有第三密封圈。

本发明进一步设置为，所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括电源以及基板；所述电源的一端与喷嘴壳体电性连接；所述电源的另一端与基板电性连接；

所述喷嘴壳体通过生料带与整流壳体连接。

本发明进一步设置为，所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括红外线感应器；所述红外线感应器与温度控制器电性连接；所述红外线感应器与气流通道的开口端对准。

本发明进一步设置为，所述入气壳体与出气壳体螺纹连接；所述整流壳体上设有多个整流孔；多个整流孔均匀设于整流壳体上。

本发明进一步设置为，所述喷嘴针管的截面形状为圆形；所述气流通道的截面形状为正方形；所述喷嘴针管与气流通道相切设置；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括与整流壳体连接的对中针头；所述喷嘴针管依次穿过整流壳体以及对中针头后设于气流通道中。

本发明的有益效果：

1.其通过第一气室内的加热组件对气流的温度进行调节，利用集成于出气壳体内部的测温传感器对气流温度进行反馈调节，可控制喷印射流的固化程度。同时，喷头出气端设有红外线感应器，在初始使用阶段对红外温度探测的反馈和测温传感器的反馈进行比较，将喷头内部与出气端的温度差补偿至温度控制器，通过获取温差数据，最终可仅通过温度传感器获得最终辅助气流的温度。

2.其通过第一气室侧壁上多个气流入口，可通入多种及组合气体，能够有效降低击穿电压。如对于一些特殊打印墨液，需要通入保护气体；对于一些粘度较低溶液需要降低喷头高度，温度升高时，这种情况下易发生电击穿，可通过通入混合气体从而有效避免电击穿；对于一些有特殊要求的，需射流表面与特殊气体发生反应，实现特殊打印结构，均可使用多种气流通入的结构。

3.其通过正方形的气流管道与喷嘴针管的对中固定方式，保证喷嘴针管与气流管道的对中精度，使喷嘴针管尖端处的射流受到的气流约束力均匀对称，避免了辅助气流偏斜对射流运动轨迹稳定性的影响，提高了喷头的打印精度。

4.其通过正方的气流管道与喷嘴针管的相切固定方式，保证气流紧附于喷嘴针管外表面，避免溶液浸润到喷嘴针管外壁，利用相切的气流管道引导射流的流动轨迹，避免了溶液浸润对的射流尺寸的影响，提高喷头打印的尺寸精度。

5.其通过第一气室顶部的导线孔，能够保证加热电阻丝所接的导线能够安全引出，利用两侧带有凸台的密封胶塞对导线进行压紧固定，保证了良好的气密性。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明入气壳体的俯视图；

图3是本发明喷嘴针管与气流通道配合的仰视图；

图4是本发明喷嘴针管与气流通道配合第一种情况的截面图；

图5是本发明喷嘴针管与气流通道配合第二种情况的截面图；

图6是本发明喷嘴针管与气流通道配合第三种情况的截面图；

其中：1-喷嘴壳体；11-喷嘴针管；2-入气壳体；21-弧形侧壁；22-气流入口；23-第一气室；24-过线孔；3-密封胶塞；41-第一密封圈；42-第二密封圈；43-第三密封圈；5-隔热层；6-加热电阻丝；7-整流壳体；71-整流孔；8-出气壳体；81-气流通道；82-第二气室；83-测温孔；9-测温传感器；10-对中针头；101-微流量泵；102-第一气泵；103-第二气泵；104-基板；105-电源；106-温度控制器；107-红外线感应器。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

由图1至图6可知；本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，包括喷嘴、入气壳体2、与入气壳体2连接的出气壳体8以及设于入气壳体2与出气壳体8之间的整流壳体7；

所述喷嘴包括喷嘴壳体1以及与喷嘴壳体1连通的喷嘴针管11；所述喷嘴壳体1与整流壳体7连接；所述喷嘴针管11贯穿整流壳体7后设于出气壳体8内；

所述入气壳体2设有第一气室23；所述出气壳体8设有第二气室82以及与第二气室82连通的气流通道81；所述喷嘴针管11设于气流通道81；所述整流壳体7设有用于使第一气室23与第二气室82连通的整流孔71；

所述第一气室23内设有加热组件；所述入气壳体2设有第一气室23连通的气流入口22；与所述出气壳体8在第二气室82处设有测温孔83；所述测温孔83内设有用于测量第二气室82温度的测温传感器9；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括温度控制器106；所述测温传感器9以及加热组件均与温度控制器106电性连接；所述温度控制器106根据测温传感器9测量的温度控制加热组件工作。本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括电源105以及基板104；所述电源105的一端与喷嘴壳体1电性连接；所述电源105的另一端与基板104电性连接；

所述喷嘴壳体1通过生料带与整流壳体7连接。

具体地，本实施例所述的固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述喷嘴为电流体喷印中常规使用的喷嘴，其结构中包括一段喷嘴针管11部分，喷嘴上端的喷嘴壳体1为圆柱状，可以通过缠绕生料带与所述整流壳体7形成紧密连接，墨液由微流量泵101供送。喷嘴壳体1上端连接电源105，与基板104构成回路，基板104接地。

第一气腔内有设有加热组件，气体经所述气流入口22通入所述第一气腔中，加热组件可使气流在所述第一气腔中均匀加热。由于在温度升高时，击穿电压会降低，因此需要通入一定比例混合的多种气体降低击穿电压，所述气流入口22可以均布于入气壳体2的侧壁上，可根据需求设置多个入气流入口22，多种气体可以由第一气泵102以及第二气泵103等供入。

所述整流壳体7对所述第一气腔内的气体起到梳理作用。在所述第一气腔内均匀加热的气体经过所述整流壳体7上均布的所述整流气孔流入出气壳体8的锥形第二气室82中；

然后气体从第二气室82经所述气流管道与喷嘴针管11间的环形空腔流出，气体的气流对喷嘴针管11尖端喷射的射流起到辅助作用。这种方式能保证气流紧附与喷嘴针管11外表面，避免溶液浸润到喷嘴针管11外壁，避免溶液浸润对的射流尺寸的影响，提高喷头打印的尺寸精度。

另外，所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还可以包括红外线感应器107；所述红外线感应器107与温度控制器106电性连接；所述红外线感应器107与气流通道81的开口端对准。

其调节固化程度的原理为：气体温度的测定共有两个步骤：在喷头使用初期，需在喷头外部即气流通道81的开口端放置红外线感应器107，测温传感器9于出气壳体8内部测定加热气流的温度，当加热气流由出气端喷出时，温度经过一定距离后发生变化，此时需要外部的红外线感应器107进行第二次测定，测温传感器9与红外线感应器107均向温度控制器106反馈所测温度，比较二者的反馈信号可获得出气端与出气壳体8气流的温度差；在后期使用喷头时，可去除红外线感应器107部分，通过测温传感器9的反馈信号以及前期获得的温差信息，可获得经温度补偿后的出气端温度。通过这种方式可使喷头的集成性更优异，同时能够获得准确的出气端温度，从而调节固化程度。

本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述加热组件包括设于第一气室23内的弧形侧壁21以及缠绕在弧形侧壁21上的加热电阻丝6；所述弧形侧壁21由入气壳体2延伸而成；本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述弧形侧壁21的数量为四个；四个弧形侧壁21等间距设于第一气室23内。具体地，第一气腔内有四片均布的所述弧形侧壁21，其俯视图可参见图2，加热电阻丝6缠绕于所述弧形侧壁21上，气体经所述气流入口22通入所述第一气腔中，四片独立的弧形侧壁21可使气流在所述第一气腔中均匀加热。

所述入气壳体2设有与第一气室23连通的过线孔24；所述加热电阻丝6通过导线穿过过线孔24后与温度控制器106连接；所述过线孔24内设有密封胶塞3。本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述密封胶塞3的两端均延伸有凸台。所述密封胶塞3用于密封加热电阻丝6与所述过线孔24的连接；所述密封胶塞3两端的凸台结构，能够保证所述入气壳体2的所述第一气腔与外界的隔绝，便于导线的安全引出。

本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述整流壳体7的外壁与第一气室23之间设有隔热层5；所述隔热层5为纳米陶瓷。所述隔热层5采用纳米陶瓷，具有较好的隔热性能。加热的气体在所述第一气腔内有一定的温度，当温度过高时会使得在喷嘴中的溶液在未喷射时就提前固化，堵塞喷头，因此有必要在加热的过程中对溶液进行隔热保护。

本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述整流壳体7的顶部与入气壳体2之间设有第一密封圈41；所述整流壳体7的底部与入气壳体2之间设有第二密封圈42；所述整流壳体7与出气壳体8之间设有第三密封圈43。上述设置起到密封第一气室23以及第二气室82的作用。

本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述入气壳体2与出气壳体8螺纹连接；所述整流壳体7上设有多个整流孔71；多个整流孔71均匀设于整流壳体7上。

所述入气壳体2与出气壳体8之间采用螺纹连接，以便于调节所述气流管道与喷嘴针管11的相对高度。所述气流管道与喷嘴针管11的相对高度不同，辅助气流对射流的作用力大小和方向也会不同，请参阅图4至图6，图4至图6展示了所述气流管道81与喷嘴针管11的三种相对高度关系。

当喷嘴针管11的底端与所述气流管道底端平齐时，气流对喷印射流的作用力较为平缓，请参阅图4；当喷嘴针管11的底端置于所述气流管道的内部时，气流对喷印射流具有相对较大的作用力，请参阅图5；当喷嘴针管11的底端置于所述气流管道的外部时，气流对喷印射流具有相对较小的作用力，请参阅图6。

本实施例所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，所述喷嘴针管11的截面形状为圆形；所述气流通道81的截面形状为正方形；所述喷嘴针管11与气流通道81相切设置；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括与整流壳体7连接的对中针头10；所述喷嘴针管11依次穿过整流壳体7以及对中针头10后设于气流通道81中。

其中所述气流管道的边长与喷嘴针管11的外径一致。喷嘴针管11经对中针头10插入所述第二气室82末端的所述气流管道中，并且喷嘴针管11的外壁与所述气流管道的内壁相切，这种方式能保证喷嘴针管11与所述气流管道的具有非常高的对中精度，避免辅助气流发生偏斜，使射流受到的气流约束力均匀对称，降低了辅助气流对射流稳定性的影响。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：包括喷嘴、入气壳体（2）、与入气壳体（2）连接的出气壳体（8）以及设于入气壳体（2）与出气壳体（8）之间的整流壳体（7）；

所述喷嘴包括喷嘴壳体（1）以及与喷嘴壳体（1）连通的喷嘴针管（11）；所述喷嘴壳体（1）与整流壳体（7）连接；所述喷嘴针管（11）贯穿整流壳体（7）后设于出气壳体（8）内；

所述入气壳体（2）设有第一气室（23）；所述出气壳体（8）设有第二气室（82）以及与第二气室（82）连通的气流通道（81）；所述喷嘴针管（11）设于气流通道（81）；所述整流壳体（7）设有用于使第一气室（23）与第二气室（82）连通的整流孔（71）；

所述第一气室（23）内设有加热组件；所述入气壳体（2）设有与第一气室（23）连通的气流入口（22）；所述出气壳体（8）在第二气室（82）处设有测温孔（83）；所述测温孔（83）内设有用于测量第二气室（82）温度的测温传感器（9）；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括温度控制器（106）；所述测温传感器（9）以及加热组件均与温度控制器（106）电性连接；所述温度控制器（106）根据测温传感器（9）测量的温度控制加热组件工作；

所述加热组件包括设于第一气室（23）内的弧形侧壁（21）以及缠绕在弧形侧壁（21）上的加热电阻丝（6）；所述弧形侧壁（21）由入气壳体（2）延伸而成；

所述入气壳体（2）设有与第一气室（23）连通的过线孔（24）；所述加热电阻丝（6）通过导线穿过过线孔（24）后与温度控制器（106）连接；所述过线孔（24）内设有密封胶塞（3）；

所述整流壳体（7）的外壁与第一气室（23）之间设有隔热层（5）；所述隔热层（5）为纳米陶瓷；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括红外线感应器（107）；所述红外线感应器（107）与温度控制器（106）电性连接；所述红外线感应器（107）与气流通道（81）的开口端对准。

2.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述密封胶塞（3）的两端均延伸有凸台。

3.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述弧形侧壁（21）的数量为四个；四个弧形侧壁（21）等间距设于第一气室（23）内。

4.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述整流壳体（7）的顶部与入气壳体（2）之间设有第一密封圈（41）；所述整流壳体（7）的底部与入气壳体（2）之间设有第二密封圈（42）；所述整流壳体（7）与出气壳体（8）之间设有第三密封圈（43）。

5.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括电源（105）以及基板（104）；所述电源（105）的一端与喷嘴壳体（1）电性连接；所述电源（105）的另一端与基板（104）电性连接；

所述喷嘴壳体（1）通过生料带与整流壳体（7）连接。

6.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述入气壳体（2）与出气壳体（8）螺纹连接；所述整流壳体（7）上设有多个整流孔（71）；多个整流孔（71）均匀设于整流壳体（7）上。

7.根据权利要求1所述的一种固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头，其特征在于：所述喷嘴针管（11）的截面形状为圆形；所述气流通道（81）的截面形状为正方形；所述喷嘴针管（11）与气流通道（81）相切设置；

所述固化程度可调的多种气流辅助电流体喷头还包括与整流壳体（7）连接的对中针头（10）；所述喷嘴针管（11）依次穿过整流壳体（7）以及对中针头（10）后设于气流通道（81）中。