CN110816055B - 一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印领域，并具体公开了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法。该喷墨打印装置包括喷墨喷头和等离子体喷头，其中喷墨喷头工作时喷嘴的一端与供墨单元连接，另一端与输送针头连接，同时该喷嘴与第一电源连接；等离子体喷头中喷头主体设置有气体导路用于放置电极针，并通过进气孔通入工作气体，工作时电极针与第二电源连接，通过放电形成等离子体射流，作用于基板使其区域化带电，带电荷的墨液在等离子体射流的引导下沉积到基板的指定位置，以此完成喷墨打印。本发明能够克服厚基板接高压电源地极无效的问题，同时能够克服喷墨打印在曲面基板、绝缘基板上打印精度不高的问题，有效提高喷墨打印的精度、分辨率和便捷度。

Description

一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法

技术领域

本发明属于喷墨打印领域，更具体地，涉及一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法。

背景技术

喷墨打印技术作为一种无接触、无压力、无掩膜的印刷复制技术，能在室温下直接将功能材料沉积到基底上形成微尺度结构，实现数字化柔性印刷，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。传统的喷墨打印技术存在分辨率低、液滴尺寸受限、喷嘴易堵塞、喷印材料受限等缺陷。

电流体喷印作为一种新的喷印技术，利用喷嘴与基板间的电场以“拉”的方式打印功能材料，具有可实现亚微米分辨率、良好的油墨兼容性、材料应用范围更广等许多优势。但是，目前电流体喷印技术仍存在众多缺陷，例如其基板需为导电材质以接通电压后能在喷嘴与基板之间形成电场来驱动墨液，且基板需表面平整以得到较好的打印条件和分辨率。对于许多领域如曲面电子、飞行器蒙皮等，基板多是非平面的绝缘材质。电流体喷印无法在绝缘材质或自由曲面上进行高精度、高分辨率打印。

现有的解决技术中，利用三轴或五轴运动平台能实现曲面打印，但不能很好地解决绝缘基板的问题；正负电交替打印的方式解决绝缘基板电荷累积的问题，但仍需在基板上接电极，不能解决绝缘基板厚度大导致接电极失效的情况；利用电极环可以降低绝缘基板极化的问题，但电极环形成的电场易使喷墨的射流偏离中心线而打到环上；利用静电聚焦的方式控制墨液难以应用于较厚的绝缘基板。并且，目前的方法都无法很好地同时兼容喷墨打印技术中连续直写、按需喷印和近场纺丝三种典型打印模式。因此，亟待提出一种新的喷墨打印方法，解决在曲面、绝缘基板上实现高精度、高分辨率打印的问题，并能同时兼容不同的打印模式。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及其喷印方法，其中该喷墨打印装置通过设置喷墨喷头和等离子体喷头，能够利用等离子体射流引导带电荷的墨液准确沉积在基板的特定位置，从而能够实现高精度、高分辨率的喷墨打印，因而尤其适用于曲面或绝缘基板喷墨打印的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，该喷墨打印装置包括喷墨喷头和等离子体喷头，其中：

所述喷墨喷头包括喷嘴和输送针头，工作时所述喷嘴的一端与供墨单元连接，其另一端与所述输送针头连接，同时该喷嘴与第一电源连接，以此使得所述墨液带电荷并从所述输送针头喷出；

所述等离子体喷头包括喷头主体和电极针，所述喷头主体的中间设置有通孔作为气体导路，用于放置所述电极针，同时该喷头主体上设置有进气孔，用于向所述气体导路通入工作气体，工作时所述电极针与第二电源连接，通过放电使得所述工作气体电离形成等离子体射流，作用于所述基板使其带电荷，因所述第一电源与第二电源的极性相反，故带电荷的所述墨液在所述等离子体射流的引导下沉积到所述基板区域化带电荷的位置，以此完成喷墨打印。

作为进一步优选地，所述等离子体喷头还包括设置在所述喷头主体底部的聚焦单元，用于通过静电聚焦的方式控制所述等离子体射流的方向和直径，从而提高喷墨打印的精度和分辨率。

作为进一步优选地，所述聚焦单元包括预设数量的聚焦电极环和绝缘垫圈，利用所述绝缘垫圈将所述聚焦电极环隔离。

作为进一步优选地，所述基板为平面结构的绝缘基板或曲面结构的绝缘基板。

作为进一步优选地，当喷墨打印的基板为导体材质时，将所述喷墨喷头与电源连接，并将所述基板与所述电源的地极连接。

作为进一步优选地，所述喷嘴由金属材料制成，所述输送针头由介质管制成，所述喷头主体由绝缘材料制成。

按照本发明的另一方面，提出了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印方法，该方法包括如下步骤：

S1将喷墨喷头的喷嘴与第一电源连接并竖直放置在基板上方，将等离子体喷头的电极针与第二电源连接并斜置于所述喷墨喷头的旁侧，所述第一电源与第二电源的极性相反；

S2将墨液通过供墨单元输送至输送针头的出口处，使得所述墨液在所述第一电源的作用下带电荷，同时将工作气体通过进气孔通入所述气体导路，使得所述工作气体在所述电极针的放电作用下形成等离子体射流；

S3喷射出的所述等离子体射流使得所述基板区域化带电荷，并且所述等离子体射流在所述基板上形成的气态电极与所述喷嘴之间形成电场，使得带电荷的所述墨液沉积到所述基板带电荷的指定位置，以此在所述等离子体射流的引导下完成喷墨打印。

作为进一步优选地，所述步骤S3还包括利用聚焦单元控制所述等离子体射流的方向。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将等离子体射流与喷墨打印结合，利用等离子体作为气态电极，在墨液与基板间形成电场，从而引导墨液准确地沉积在基板的特定位置，不仅能够克服厚基板接高压电源地极无效的问题，而且能够克服喷墨打印在曲面基板、绝缘基板上打印精度不高的问题，有效提高了喷墨打印的精度、分辨率和便捷度，能够很好地兼容连续直写、按需喷印和近场纺丝等典型的打印模式，实现高精度、高分辨率的喷墨打印；

2.尤其是，本发明通过在等离子体喷头的底部设置聚焦单元，能够通过聚焦电场改变等离子体射流的方向，从而在基板上的不同位置进行预留电荷，引导墨液在相应位置沉积，从而有效提高喷墨打印的适用范围，同时聚焦电场也可改变等离子体射流的直径，从而提高打印精度和分辨率；

3.此外，本发明通过对工作气体的放电强度进行控制，能够保证等离子体射流在基板上只留下电荷作为气态电极的作用，而不对基板进行刻蚀、改性的作用，避免在引导墨液的同时对基板表面微结构发生不必要的破坏。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例构建的喷墨喷头的剖面结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例构建的等离子体喷头的剖面结构示意图；

图4是本发明提供的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置的工作原理示意图；

图5是本发明提供的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置利用聚焦单元控制等离子体射流位置的工作原理示意图。

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-喷嘴；2-输送针头；3-喷头主体；4-电极针；5-胶塞；6-聚焦电极环；7-绝缘垫圈；8-进气孔；9-气体导路；10-引线孔；11-供墨单元；12-第一电源；13-第二电源；14-工作气体；15-等离子体射流；16-墨液射流；17-基板。

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1～3所示，本发明实施例提供了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，该喷墨打印装置包括喷墨喷头和等离子体喷头，其中：

喷墨喷头包括金属材料制成的喷嘴1和介质材料制成的输送针头2，喷嘴1的内部凹槽结构用于连接供墨单元11，同时喷嘴1的下方中心开有一小口，用于安装输送针头2，工作时喷嘴1的一端与供墨单元11连接，其另一端与输送针头2连接，同时该喷嘴1与第一电源12连接，以此使得墨液带电荷并从输送针头2喷出；

等离子体喷头包括绝缘材料制成的喷头主体3和电极针4，喷头主体3的中间设置有通孔作为气体导路9，用于放置电极针4，将胶塞5安装于喷头主体3的上方进行紧固，防止工作气体从喷头主体3的上方溢出，同时将电极针4穿过胶塞5而固定，使针尖插入深度大致在气体导路9的缩口出，使电极针4与等离体子体喷头同轴即可，该喷头主体3的侧壁设置有进气孔8，用于向气体导路9通入工作气体，工作气体为惰性气体、氦气等，工作时电极针4的头部与第二电源13连接，通过放电使得工作气体电离形成等离子体射流，作用于基板17使其带电荷，因第一电源12与第二电源13的极性相反，故带电荷的墨液在等离子体射流的引导下沉积到基板17区域化带电荷的位置，以此完成喷墨打印，基板17为平面结构的绝缘基板或曲面结构的绝缘基板，并且不需要将基板17接上高压电源的地极，能够解决普通电流体喷墨对绝缘基板打印困难的问题。

进一步，等离子体喷头还包括通过过盈配合的方式安装在喷头主体3底部的聚焦单元，用于通过静电聚焦的方式控制等离子体射流的方向和直径，使得等离子体射流不再沿着喷头中心线喷射，可以偏离中心线作用于预设位置，并且提高喷墨打印的分辨率和精度，聚焦单元包括预设数量的聚焦电极环6和绝缘垫圈7，利用绝缘垫圈7将聚焦电极环6隔离，同时喷头主体3的侧壁开有引线孔10，用于引出聚焦电极环6的导线。

进一步，通过控制第二电源13的电压强度调节等离子体射流的放电强度，使得等离子体射流在基板上只是留下电荷作为气态电极，而不对基板进行刻蚀、改性等作用，避免在引导墨液的同时对基板表面微结构发生不必要的破坏。

进一步，当喷墨打印的基板为导体材质时，可以不用等离子体喷头的功能，变换为普通电流体喷墨打印的方式进行打印，只将喷墨喷头与电源连接，并将基板与电源的地极连接，即进行常规的电流体喷印工艺。

按照本发明的另一方面，如图4所示，提出了一种基于等离子体射流引导的喷墨打印方法，该方法包括如下步骤：

S1将喷墨喷头的喷嘴1与第一电源12连接并竖直放置在基板17上方，使得喷墨喷头接上高压电势，将等离子体喷头的电极针4与第二电源13连接并斜置于喷墨喷头的旁侧，使得电极针4接上高压电势，第一电源12与第二电源13的极性相反；

S2将墨液通过供墨单元11以低流速的状态输送至输送针头2的出口处，使得墨液在第一电源12的作用下带电荷，同时将工作气体14通过进气孔8通入气体导路9，电极针中曲率半径很小的针尖处发生尖端放电，使周围工作气体电离产生稳定均匀的放电形式，进而产生大气压低温等离子体射流，在气流的吹动下与工作气体一同朝喷嘴方向喷射；

S3喷射出的等离子体射流15作用于基板17上，一个个连续的等离子体所带有的电荷部分转移至基板17上，使基板17的特定区域极化从而带上一定量的电荷，达到气态电极的作用，其极性与墨液所带电荷的极性相反，于是在输送针头2口部与基板处的等离子体气态电极之间形成电场，墨液中的电荷在电场的作用下迁移至输送针头2口部的气液交界面上，墨液在电场力、重力、表面张力、粘性力的共同作用下经输送针头2喷射而形成墨液射流16，并沉积到基板带电荷的位置，以此在等离子体射流的引导下完成喷墨打印。

第一电源和第二电源均可采用直流模式、交流模式和脉冲模式供电，使得墨液供给可按照连续直写、按需喷印或近场纺丝的打印模式提供墨液，等离子体射流喷射出后，在基板上停留而形成气态电极，作为使墨液“拉”出的动力源，并能通过改变等离子体气态电极的位置及精度达到高分辨率、高精度图案化打印，不会受到基板绝缘、喷嘴与基板间距、鞭动现象的影响。

进一步，如图5所示，步骤S3还包括利用聚焦单元控制等离子体射流的方向，绝缘垫圈7使聚焦电极环6保持一定的间距，从而形成静电透镜的几何模式，通过调节三片聚焦电极环6之间的正负极性、电位比等电学参数，改变等离子体射流方向，其中射流2是纯聚焦的结果，通过聚焦使等离子体射流的束斑极细小，提高分辨率，使墨液的沉积位置更加精准，射流1和射流3是通过聚焦电场改变射流方向产生的射流效果，可以在基板上的不同位置进行预留电荷，吸引墨液射流在相应位置并沉积，扩大其在曲面基板上打印的应用范围。

本发明通过将等离子体射流与喷墨打印结合，通过用等离子体起到气态电极的作用，在基板上留下电荷以引导墨液准确地落在基板的特定位置，克服电流体喷印时厚基板接高压电源地极无效的问题，使基板不需接地极；克服了喷墨打印在曲面、绝缘基板不能打、不好打的问题，并在一定程度上提高了打印精度、分辨率和便捷度，能很好地兼容连续直写、按需喷印和近场纺丝等典型的打印模式，实现高精度、高分辨率的平/曲面、绝缘基板喷墨打印。

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)

1.一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，该喷墨打印装置包括喷墨喷头和等离子体喷头，其中：

所述喷墨喷头包括喷嘴（1）和输送针头（2），工作时所述喷嘴（1）的一端与供墨单元（11）连接，其另一端与所述输送针头（2）连接，同时该喷嘴（1）与第一电源（12）连接，以此使得墨液带电荷并从所述输送针头（2）喷出；

所述等离子体喷头包括喷头主体（3）和电极针（4），所述喷头主体（3）的中间设置有通孔作为气体导路（9），用于放置所述电极针（4），同时该喷头主体（3）上设置有进气孔（8），用于向所述气体导路（9）通入工作气体，工作时所述电极针（4）与第二电源（13）连接，通过放电使得所述工作气体电离形成等离子体射流，作用于基板（17）使其带电荷，因所述第一电源（12）与第二电源（13）的极性相反，故带电荷的所述墨液在所述等离子体射流的引导下沉积到所述基板（17）区域化带电荷的位置，以此完成喷墨打印。

2.如权利要求1所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，所述等离子体喷头还包括设置在所述喷头主体（3）底部的聚焦单元，用于通过静电聚焦的方式控制所述等离子体射流的方向和直径，从而提高喷墨打印的精度和分辨率。

3.如权利要求2所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，所述聚焦单元包括预设数量的聚焦电极环（6）和绝缘垫圈（7），利用所述绝缘垫圈（7）将所述聚焦电极环（6）隔离。

4.如权利要求1所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，所述基板（17）为平面结构的绝缘基板或曲面结构的绝缘基板。

5.如权利要求1所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，当喷墨打印的基板为导体材质时，将所述喷墨喷头与电源连接，并将所述基板与所述电源的地极连接。

6.如权利要求1～5任一项所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印装置，其特征在于，所述喷嘴（1）由金属材料制成，所述输送针头（2）由介质管制成，所述喷头主体（3）由绝缘材料制成。

7.一种基于等离子体射流引导的喷墨打印方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1将喷墨喷头的喷嘴（1）与第一电源（12）连接并竖直放置在基板（17）上方，将等离子体喷头的电极针（4）与第二电源（13）连接并斜置于所述喷墨喷头的旁侧，所述第一电源（12）与第二电源（13）的极性相反；

S2将墨液通过供墨单元（11）输送至输送针头（2）的出口处，使得所述墨液在所述第一电源（12）的作用下带电荷，同时将工作气体（14）通过进气孔（8）通入气体导路（9），使得所述工作气体（14）在所述电极针的放电作用下形成等离子体射流；

S3喷射出的所述等离子体射流使得所述基板（17）区域化带电荷，并且所述等离子体射流在所述基板上形成的气态电极与所述喷嘴（1）之间形成电场，使得带电荷的所述墨液沉积到所述基板（17）带电荷的指定位置，以此在所述等离子体射流的引导下完成喷墨打印。

8.如权利要求7所述的基于等离子体射流引导的喷墨打印方法，其特征在于，所述步骤S3还包括利用聚焦单元控制所述等离子体射流的方向和直径。

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