CN112246460B - 一种电流体液滴按需喷射装置及使用其喷射微液滴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流体液滴按需喷射装置及使用其喷射微液滴的方法，用于解决现有的喷射液滴均一性差以及喷嘴和基板间距有限制的问题。该装置通过使用两个大小一致的电极环，一个电极环施加高压而另一个电极环接地在喷嘴处产生静电场，使液体发生极化，进一步在电场力的作用下形成泰勒锥并在电场力消失后断裂，形成大小均一的液滴穿过电极环，由此保证了生成的液滴不会对电场的分布造成影响，保证了液滴的均一性，且该装置对喷嘴和基板之间的距离无要求，保证了成型件的大小不受限制。

Description

一种电流体液滴按需喷射装置及使用其喷射微液滴的方法

技术领域

本发明涉及一种电流体液滴按需喷射装置，本发明还涉及使用这种装置喷射微液滴的方法。

背景技术

电流体喷射沉积是一种基于电场驱动的新工艺。利用这种喷射方式可以形成比喷嘴直径小1～2个数量级的液滴，且可以用于喷射的材料非常广泛。其基本工作原理为在喷嘴上加上高电压，在喷嘴和基板之间形成向下的电场，在背压作用下被挤出的液体会受到电场的影响而发生极化，从而在液体表面积累正电荷，在电场力、重力、表面张力以及背压力的作用下弯液面逐渐伸长形成泰勒锥，随着电压的增大，液体在电场力的作用下突破表面张力的作用从泰勒锥顶部喷射形成锥射流，而在电压消失后，泰勒锥前端的射流速度较高，而泰勒锥面上的液体速度较低，由于表面张力的作用，射流断裂积聚成小液滴并滴落，由此产生一个液滴。

参照图3，文献“钱垒,兰红波,赵佳伟,等.电场驱动喷射沉积3D打印.中国科学:技术科学,2018,48:773–782”中设计了一种新型电流体液滴喷射装置，其由喷嘴1，提取电极2，目标基底3以及高压电源4组成，喷嘴1中液体存在一定背压，提取电极2与高压电源4相连，不与喷嘴1直接接触，目标基底3悬空不接地。

喷嘴1中液体在背压的作用下在喷嘴1下端形成弯液面，高压电源4可以给提取电极2施加脉冲电压，当脉冲电压到来时，会在目标基底3中产生静电感应，使正电荷远离上表面，负电荷在上表面上聚集，受到负电荷的吸引，会在提取电极2与目标基底3之间产生加强的感应电场，液体在电场作用下发生极化，使正电荷在弯液面表面聚集，并在电场力、重力、表面张力以及背压力等力的作用下弯液面逐渐伸长形成泰勒锥，脉冲电压消失后泰勒锥在表面张力作用下发生断裂并汇聚成小液滴。

文献中的装置存在如下不足，静电感应要求提取电极2与目标基底3之间的距离很近，而喷嘴需要位于提取电极下方，这就给成型零件的Z向尺寸带来较大限制，且随着Z向尺寸增大，提取电极2与目标基底3之间的距离会越来越大，导致电场强度发生变化；另一方面，生成的液滴往往带有一定量的电荷，液滴滴落到目标基底3上之后，这些电荷会对喷嘴1下方的电场造成一定影响，导致喷射出液滴的均一性无法得到很好的保证，影响成型件的质量。

参照图4，文献“Liquid droplet spraying apparatus and method,Do YoungByun,Vu Dat Nguyen.United States Patent:US8419149B2.2013-04-16”中设计了一种液滴喷射装置，其由喷嘴14，腔室12，控制单元300，电极模块单元110，交流信号器130，压电操作器210，驱动信号器230组成。喷嘴14用于喷射容纳在腔室12的流体F，喷嘴14可使用导电材料或其中嵌入有导线的非导电材料制造，电极模块单元110与喷嘴14之间有绝缘材料IS隔开。交流信号器130用于将交流信号施加到电极模块单元110，当交流电压为正电压时液面产生感应负电荷，当交流电压为负电压时则产生感应正电荷。液面在电极模块单元110产生的电场作用下会向喷射方向变形，此时电场力作为第一喷射力。控制单元300可以检测交流信号器130的输出，其仅在液面受到电场力时才控制驱动信号器230产生驱动信号给压电操作器210，压电操作器210通过变形增大腔室12内的压力，提供第二喷射力。该装置的缺点在于需要压电元件来制造变化的压力，压力大小难以控制，难以保证每次的压力一致，对液滴的均一性有一定影响，且整体结构较为复杂。

参照图5，文献“Barton K,Mishra S,Alleyne A,et al.Control of high-resolution electrohydrodynamic jet printing[J].Control EngineeringPractice,2011,19(11):1266–1273.”中设计了一种通过检测液滴沉积在基板上时电荷转移所产生的微电流大小来控制脉冲电压大小的桌面化电流体打印装置，该装置通过电流传感器与喷嘴相连，检测其上的电流大小并输入计算机中，通过运算后调整施加电压的大小，以此来控制液滴的大小和均一性。但其装置较为复杂，且要求喷嘴材料镀上一层导电层，加工较复杂。

发明内容

为了解决现有的电流体喷射技术对成型件Z向尺寸有限制以及液滴均一性不好的问题，本发明提供一种电流体液滴按需喷射装置。该装置具有环状电极设置，可以使液滴产生后离开电场区域再沉积在基板上，整个电极环生成的电场不会因为喷嘴与基板之间的距离变化而变化，从而使得成型件的尺寸不受限制。同时已经生成的液滴会离开电场作用区域，不会对电极环之间的电场造成影响，保证了喷射出液滴的均一性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电流体液滴按需喷射装置，包括连接一起的上端盖和储料腔，设置在上端盖上的背压气体入口，设置在储料腔上的进料口，进料口上的阀门，及一喷嘴，还包括高压电极环、接地电极环、高压脉冲电源、接地电极环固定套筒以及高压电极环固定套筒；喷嘴安装在储料腔底部，高压电极环以及接地电极环分别装在各自的固定套筒上并组合在一起固定在储料腔底部；所述高压电极环与高压脉冲电源相连。

进一步地，所述上端盖以及储料腔为圆筒形，中间由密封垫圈密封，用螺栓将二者连接在一起。

进一步地，所述储料腔内部下半部分为锥形，直径逐渐减小。

进一步地，所述高压电极环以及接地电极环大小相等。

进一步地：所述高压电极环以及接地电极环分别装在各自的固定套筒上并组合在一起，通过螺钉固定在储料腔底部，同时用定位销定位，保证高压电极环、接地电极环与喷嘴的同轴。

本发明还提供使用这种电流体液滴喷射装置喷射微液滴的方法，包括以下步骤：

(a)喷射液体从进料口进入储料腔中，达到一定量后关闭阀门；

(b)气体从背压气体入口输入，使储料腔中保持一定的气体背压，并使喷射液体在气体背压的作用下从喷嘴中挤出并形成弯液面；

(c)在恒定的气体背压作用下，等到弯液面达到稳定后，再施加脉冲电压，在高压电极环和接地电极环之间形成电场，喷嘴前端的弯液面在背压力、表面张力、重力以及电场力的作用下形成泰勒锥；

(d)随着电压的作用泰勒锥持续伸长，并在脉冲电压撤去后泰勒锥前端发生断裂，断裂液体在表面张力作用下形成小液滴，完成一次喷射。

本发明的有益效果是：由于电极环的存在，电场集中于两个电极环之间，而不存在于电极环和基板之间，这使得装置对于喷嘴和基板之间的距离没有要求，从而解除了对成型件的尺寸限制，同时已经生成的液滴会离开电场作用区域，不会对电极环之间的电场造成影响，保证了喷射出液滴的均一性，且由于喷嘴不直接接高压，对于喷嘴的材料的导电性没有要求，降低了加工的难度。

附图说明

图1是本发明电流体液滴按需喷射装置的结构示意图。

图2是本发明电流体液滴按需喷射装置喷头细节图。

图3是背景技术电场驱动喷射沉积3D打印装置的结构示意图。图中，1-喷嘴，2-提取电极，3-目标基底，4-高压电源。

图4是背景技术液滴喷射装置的结构示意图。图中，12-腔室，14-喷嘴，110-电极模块单元，130-交流信号器，210-压电操作器，230-驱动信号器，300-控制单元，A-待打印材料，D-液滴，F-流体，IS-绝缘材料。

图5是背景技术桌面化电流体打印装置的原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参照图1，本发明电流体液滴按需喷射装置，包括上端盖2、阀门4、喷嘴6、高压电极环7、接地电极环8、高压脉冲电源9、接地电极环固定套筒10、高压电极环固定套筒11、储料腔12和密封垫圈13，上端盖2上开有一背压气体入口1，储料腔12侧面开有进料口3，同时有一阀门4连接在进料口3上，上端盖2、密封垫圈13与储料腔12三者用螺栓连接在一起，保证储料腔的密封性，储料腔12下半部分直径逐渐减小，底部有一小孔直径略大于喷嘴6直径，喷嘴6通过环氧树脂胶水与储料腔12粘接在一起，同时密封，高压电极环7和接地电极环8分别安装在固定套筒上之后，用定位销将套筒定位在储料腔12底部，同时用螺钉固定。将高压电极环7与高压脉冲电源9相连，使其具有高电势，将接地电极环8接地。

进行喷射时，首先将进料口与料筒相连，喷射的液体可以为溶液或者低熔点液态金属，打开阀门，在压力作用下喷射液体从进料口3进入储料腔12，待储料腔12中液体达到一定量时关闭阀门。

将外部气体送入背压气体入口1并控制其保持在一定压力，在背压的作用下储料腔12内的液体向喷嘴6处运动并在表面张力的作用下在喷嘴6的出口处形成弯液面，此时液体的表面张力与液体所受的气体背压力相平衡。

待到喷嘴6处的弯液面稳定后，高压脉冲电源9输出高电压，与之相连的高压电极环7电势很快升高，在高压电极环7与接地电极环8之间形成静电场，两者的组合类似于一个电容器，由于电容器的边缘效应会在喷嘴6出口处产生方向接近垂直向下的电场。

在电场的作用下液体内部正负电荷发生极化，正电荷聚集于弯液面并不断增多，在电场力的作用下液体逐渐突破表面张力的束缚向下伸长变化为锥形，随着锥形顶端的电荷积累，液体在锥形顶端形成喷射，形成泰勒锥并不断伸长，脉冲电压持续一段时间后撤去，两电极环之间的电场消失，泰勒锥表面的电场力随之消失，在表面张力的作用下泰勒锥前端发生颈缩，随后断裂，断裂脱落的液体聚集成球并向下运动，而剩余的液体被喷嘴吸回重新生成弯液面并等待下一次的喷射，由此完成一个完整的喷射过程并生成一个微液滴。

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 (6)

1.一种电流体液滴按需喷射装置，包括连接一起的上端盖(2)和储料腔(12)，设置在上端盖(2)上用于提供恒定的气体背压的背压气体入口(1)，设置在储料腔(12)侧面上的进料口(3)，进料口(3)上的阀门(4)，及一喷嘴(6)，其特征在于：还包括高压电极环(7)、接地电极环(8)、高压脉冲电源(9)、接地电极环固定套筒(10)以及高压电极环固定套筒(11)；储料腔(12)底部开有比喷嘴(6)直径略大的小孔，喷嘴(6)插入该小孔中固定且小孔与喷嘴(6)之间缝隙密封，高压电极环(7)以及接地电极环(8)分别装在各自的固定套筒上并组合在一起固定在储料腔(12)底部；所述高压电极环(7)与高压脉冲电源(9)相连，所述高压脉冲电源(9)等到弯液面达到稳定后，再施加脉冲电压，使得喷嘴(6)前端的弯液面在背压力、表面张力、重力以及电场力的作用下形成泰勒锥，随着电压的作用泰勒锥持续伸长，并在脉冲电压撤去后泰勒锥前端发生断裂，断裂液体在表面张力作用下形成小液滴，完成一次喷射。

2.根据权利要求1所述的电流体液滴按需喷射装置，其特征在于：所述上端盖(2)以及储料腔(12)为圆筒形，中间由密封垫圈(13)密封，用螺栓将二者连接在一起。

3.根据权利要求1或2所述的电流体液滴按需喷射装置，其特征在于：所述储料腔(12)内部下半部分为锥形，直径逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的电流体液滴按需喷射装置，其特征在于：所述高压电极环(7)以及接地电极环(8)大小相等。

5.根据权利要求4所述的体液滴按需喷射装置，其特征在于：所述高压电极环(7)以及接地电极环(8)分别装在各自的固定套筒上并组合在一起，通过螺钉固定在储料腔(12)底部，同时用定位销定位，保证高压电极环(7)、接地电极环(8)与喷嘴(6)的同轴。

6.一种使用权利要求5所述的电流体液滴按需喷射装置喷射微液滴的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)喷射液体(5)从进料口(3)进入储料腔(12)中，达到一定量后关闭阀门(4)；

(b)气体从背压气体入口(1)输入，使储料腔(12)中保持一定的气体背压，并使喷射液体(5)在气体背压的作用下从喷嘴(6)中挤出并形成弯液面；

(c)在恒定的气体背压作用下，等到弯液面达到稳定后，再施加脉冲电压，在高压电极环(7)和接地电极环(8)之间形成电场，喷嘴(6)前端的弯液面在背压力、表面张力、重力以及电场力的作用下形成泰勒锥；

(d)随着电压的作用泰勒锥持续伸长，并在脉冲电压撤去后泰勒锥前端发生断裂，断裂液体在表面张力作用下形成小液滴，完成一次喷射。

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