CN112937122B - 一种均匀喷射的电喷印喷头及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印相关技术领域，更具体地，涉及一种均匀喷射的电喷印喷头及系统。一种均匀喷射的电喷印喷头，该喷头包括流道和喷嘴，其中，流道包括墨水入口、墨水出口和微流道，微流道一端与墨水入口连接，另一端与墨水出口连接，该微流道为从墨水入口出发并关于该墨水入口对称的一级或多级的二分叉结构，喷嘴均匀分布在该二分叉结构的末端分支上；电喷印过程中，墨水出口关闭，墨水从墨水入口进入微流道，然后从喷嘴中喷出，以此进行电喷印。通过本发明，实现各个喷嘴墨水流量的均匀分配，从而实现喷墨打印的一致性，解决打印不均匀，无法多色、多材料打印的难题。

Description

一种均匀喷射的电喷印喷头及系统

技术领域

本发明属于喷墨打印相关技术领域，更具体地，涉及一种均匀喷射的电喷印喷头及系统。

背景技术

喷墨打印技术是一种无掩模的增材直写技术，在传统的影像及艺术品复制，广告喷绘，数码印刷等领域已经得到广泛应用，逐渐在显示屏薄膜封装，柔性印刷电子，生物医疗领域等新兴领域中得到应用。

传统的喷墨打印技术有压电打印和热泡打印，它们是通过压电晶体的震动或热气泡的体积膨胀将墨水挤出喷嘴，因此打印的液滴大小受到喷嘴直径的限制。工艺限制了喷嘴的最小直径，也就限制了喷印分辨率的进一步提高。传统喷墨打印可打印水溶性或溶剂型的墨水，但其适用墨水粘度在1-20cp之间，无法适用于高粘度墨水的打印。电流体喷墨打印技术利用电场力，将喷嘴中的墨水“拉”出喷嘴，可产生比喷嘴直径小几十倍的液滴，有效提高了打印分辨率，并且电流体喷印可打印的墨水粘度在1-10000cp之间，墨水粘度跨度广，可进行高粘度墨水的打印。

电流体喷墨打印喷头是实现电流体喷墨打印的关键。金属针管、毛细玻璃针管等均可用作电流体喷墨打印喷头，但现有可用的电喷印喷头多为单喷头，一些实验级的喷头可做到3-8个，这些喷头难以实现大规模，高密度的打印，无法满足商业生产的需求，且缺乏内部流道设计，无法满足各个喷嘴喷射的均匀性和一致性，难以保证喷印的重复性和稳定性，也没有对多排喷嘴的排布方式进行研究，以适应多种颜色或多种材料墨水打印的需求

专利CN106799891A公开了一种阵列化电流体喷头，其中的多个喷嘴有各自独立的供墨装置，当大规模排布时，需要非常庞大的供墨系统，不利于装置的小型化，也不利于降低成本。专利CN104191819B中的阵列化喷头呈一列排布，共用同一个墨腔，通过墨腔中间的孔向腔体供应墨水或提供压力，此装置虽然简单易行，但是各个喷嘴压降不均匀，难以保证各个喷嘴的墨水流量均匀性。专利US20180009223A1专注于提高阵列化喷头的分辨率，也没有解决多个喷嘴喷射均匀性的问题。因此，急需一种能解决喷嘴喷射均匀性问题的喷头设计。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种均匀喷射的电喷印喷头及系统，其中对微流道的设计和整体结构的布局，实现各个喷嘴墨水流量的均匀分配，从而实现喷墨打印的一致性，同时通过对微流道的拓展，可设置多排喷嘴，适用于多种颜色或材料墨水的打印，解决了目前阵列化电喷印喷头中由于缺乏内部流道设计导致大规模集成喷头时出现的打印不均匀，无法多色、多材料打印的难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种均匀喷射的电喷印喷头，该喷头包括流道和喷嘴，其中，

所述流道包括墨水入口、墨水出口和微流道，所述微流道一端与所述墨水入口连接，另一端与所述墨水出口连接，该微流道为从所述墨水入口出发并关于该墨水入口对称的一级或多级的二分叉结构，所述喷嘴均匀分布在该二分叉结构的末端分支上；电喷印过程中，所述墨水出口关闭，墨水从所述墨水入口进入所述微流道，然后从所述喷嘴中喷出，实现均匀的电流体喷印。

进一步优选地，所述喷头还包括渗透膜，该渗透膜覆盖在所述流道的上方，该渗透膜仅允许气体通过，用于将所述流道中的气体排出，避免形成气泡堵塞所述喷嘴。

进一步优选地，所述二分叉结构中的母通道的宽度与其两个相同的子通道的宽度之间满足下列关系：

D³＝2kd³

其中，D是母通道的宽度，d是子通道的宽度，k是修正系数，根据微通道横截面形态的不同，k选用不同的值，如当横截面为圆形时，k为1。

进一步优选地，在所述二分叉结构中，垂直于所述喷嘴分布方向的每个分支其宽度和长度满足下列关系：长度/宽度≥0.06Re，其中，Re是微流道内墨水流动的雷诺数。

进一步优选地，所述喷嘴为一组或者多组，喷嘴的组数等于所述墨水入口的数量，每组喷嘴中各个喷嘴的结构相同。

进一步优选地，所述喷嘴的底部截面形态为平口型、突出型和环槽型，另外，喷嘴底部需做耐磨性疏水处理。

进一步优选地，所述渗透膜采用多孔的纤维膜。

进一步优选地，喷头材料为绝缘性材料，包括玻璃、树脂或硅，选用硅时需对喷嘴底部做绝缘涂层处理。

按照本发明的另一个方面，提供了一种电喷印系统，该电喷印系统包括上述所述的喷头、供墨单元和废液回收单元，其中，所述喷头同时与所述供墨单元和废液回收单元连接，所述供墨单元用于为所述喷头提供墨水，所述废液回收单元用于回收所述喷头中的墨水。

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，具备下列有益效果：

1.本申请通过设置墨水入口，墨水出口以及微流道，使得墨水从墨水入口进入后，均分分为多个支流，最终在分支的末端设置喷嘴，使得实现各个喷嘴墨水流量的均匀分配，从而实现喷墨打印的一致性；

2.本发明中采用的微流道可拓展到多组喷嘴，每组喷嘴中放置不同颜色的墨水，喷印后，通过不同组喷嘴喷印的叠加，获得不同颜色的喷印效果，适用于多种颜色或材料墨水的打印，解决了目前阵列化电喷印喷头中由于缺乏内部流道设计导致大规模集成喷头时出现的打印不均匀，无法多色、多材料打印的难题，具有可批量制造，可实现高分辨率的均匀喷射，打印效率高的优点。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例1所构建的喷头结构爆炸图；

图2是按照本发明的优选实施例1所构建的分流板背面的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例1所构建的喷嘴固定板背面流道的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例1所构建的流道上喷嘴位置设置的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例2所构建的喷头结构示意图；

图6是按照本发明的优选实施例2所构建的喷头结构爆炸图喷嘴固定板结构示意图；

图7是按照本发明的优选实施例2所构建的喷嘴固定板的结构示意图：

图8是按照本发明的优选实施例2所构建的喷嘴固定板上喷嘴设置的结构示意图；

图9是按照本发明的优选实施例3所构建的喷头结构爆炸图；

图10是按照本发明的优选实施例1所构建的喷嘴固定板上流道的结构示意图；

图11是按照本发明的优选实施例所构建的所租喷嘴的设置的结构示意图；

图12是按照本发明的优选实施例所构建的喷嘴形态示意图，其中，(a)是平口型，(b)是突出型，(c)是环槽型；

图13是按照本发明的优选实施例所构建的二分叉结构示意图，其中，(a)是Y字形，(b)是圆弧形，(c)是矩形；

图14是按照本发明的优选实施例所构建的电喷印系统结构示意图。

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-微流道，3-墨水入口，4-墨水出口，5-渗透膜，6-供墨单元，7-废液回收单元，8-进墨口，9-出墨口，10-废液瓶，11-管道固定板，12-分流板，13-喷嘴固定板，14-流道板，15-出口通道。

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所示，一种均匀喷射的电喷印喷头，该喷头包括流道和喷嘴1，其中，流道包括墨水入口3、墨水出口4和微流道2，微流道2一端与墨水入口3连接，另一端与墨水出口4连接，该微流道2为从墨水入口出发并关于该墨水入口对称的一级或多级的二分叉结构，喷嘴1均匀分布在该二分叉结构的末端分支上；电喷印过程中，墨水出口关闭，墨水从墨水入口进入微流道，然后从喷嘴中喷出，以此进行电喷印。

进一步地，喷嘴1的直径、间距、每一组的喷嘴个数以及组数均根据实际需求设置，一般而言，喷嘴的组数为1或者偶数组。本实施例中，如图11所示，所有喷嘴具有相同的直径，每一组的喷嘴个数相等，等间距排布，且各组内喷嘴间距相同。当组数为偶数时，前后相邻组的喷嘴交错均匀分布，在喷头进给时可提高落点分辨率。不同组之间间距相同且根据实际需求设置。喷嘴直径大约在30μm～100μm之间，喷嘴深度在20μm～50μm之间。

如图12所示，喷嘴1底部截面形态可采用平口型，突出形，环形槽等不同形式；不论选择何种截面形态，都需要在喷嘴表面涂覆疏水涂料，以免弯液面扩散导致喷射液滴体积增大或多个喷嘴之间弯液面连通，导致喷射失败；因打印时可能多次调整电压和供墨气压，会多次擦拭喷嘴表面使其处于干燥状态，所以应使用耐磨性的疏水涂料，以免多次擦拭后涂料失效；突出或环形槽喷嘴结构能很好的限制弯液面的形状使其不扩散，但因施加的电压或气压不合适导致液体突然扩散后擦拭困难，可用无水乙醇冲洗后等待其自然挥发，待喷嘴处无液体残余时再进行下一次喷印。

喷嘴1直径和间距根据实际需求设定，确定喷嘴直径和间距参数后，可依次设计出各级二分叉微流道的结构。微流道最末级的通道宽度与喷嘴直径之比控制在2：1左右，此时墨水流动较为平缓，不易出现涡流，有助于提高各个喷嘴流量均匀性，再由D³＝2kd³的关系，可以依次确定出各上级微通道的宽度。对于每组喷嘴而言，垂直于所述喷嘴分布方向的每个分支其宽度和长度满足下列关系：长度/宽度≥0.06Re，其中Re微通道内墨水流动的雷诺数，以保证每次分形前母通道的液体已充分发展成对称的速度剖面，能均匀分配到两个子通道。

进一步地，微流道2通过在材料为硅的基板上进行深硅刻蚀工艺获得，分形喷嘴阵列主要依靠结构的对称性保证墨水如口到各个喷嘴的流阻相同，所以对微流道的表面质量提出了较高的要求，微流道的基板优选利于加工的材料，以减少加工带来的结构不对称，表面粗糙等问题。

如图13所示，微流道2的二分叉结构可选择为Y字形、矩形或圆弧形。为方便加工，微流道横截面一般设计为矩形，矩形横截面的长宽比应接近1。墨水入口3的数量可以为一个或者多个，微流道的数量与墨水入口的数量相同，从一个墨水入口出发可形成一个微流道，不同的墨水入口中可通入不同的墨水，例如在不同的墨水入口中通入不同颜色的墨水，对于具有两个墨水入口的流道，其包括两个微流道，喷嘴1设置在微流道末端分支上，形成两组喷嘴，两组喷嘴可交错均匀排列。

进一步地，渗透膜5是多孔的纤维膜，如PDMS膜，当膜的两侧存在一定的压力差时，由于表面张力的作用只允许液体通过而不允许气体通过。将半透膜置于负压环境中一段时间，由于膜一层接触流道中的墨水，而膜的内部是负压，因此可将流道中墨水中的气泡吸附进而排出微通道。

流道所在的基板和渗透膜选择各自所用材料后，采用阳极键合，直接键合，等离子体键合等工艺在显微镜下对准后实现键合。

如图14所示，一种电喷印系统，包括上述喷头、供墨单元6和废液回收单元7，供墨单元6通过进墨口8与喷头连接，废液回收单元7通过出墨口9连接，进墨口8和出墨口9的材料是耐腐蚀性的气管，通过环氧树脂等耐腐蚀性胶水与其他部分粘合，其位置可根据需求灵活设定，满足供给墨水和输出墨水的功能即可。

供墨单元6采用气压而不是流量泵供给墨水。

废液回收单元7中的废液瓶10上开有通孔，与大气相通。

废液瓶10可通过导管与供墨单元6相连，将废液排入供墨单元6中重复使用。

下面将介绍下上述电喷印系统的工作过程。

使用前首先要排出整个喷头系统中的气泡，以免气泡堵塞喷嘴1导致打印失败，或由于气泡的体积变化、破裂导致微通道内墨水局部压力变化，影响流量均匀性。供墨单元6中的墨水通过进墨口8供给给流道，墨水一部分通过喷嘴被挤出，另一部分会流过微流道从出墨口9流入废液瓶10。此过程中不引入外部电场，从喷嘴处流出的墨水为废液，依靠墨水在整个喷头内的流动将气泡从出墨口9带出喷头后才开始正式打印。

正式打印时，出墨口9被关闭，在供墨单元压力作用下墨水经过微通道流向喷嘴，因出墨口被堵住，出墨口一侧的液体形成死体积，压力只在喷嘴处释放，喷嘴处的弯液面液体在外部电场力的作用突破表面张力形成射流喷出。

打印结束后，根据情况通过供墨单元6向喷嘴1施加负压或正压，以保持弯液面形貌，不致使液体从喷嘴处渗漏，长时间不使用喷头时可利用供墨单元6的压力将墨水全部挤出到废液瓶10中，防止喷头中的墨水沉淀。当需要清洗喷头时，将供墨单元6中的墨水换成清洗液，在压力作用下将清洗液经过喷头排到废液瓶10，清洗液流经喷头可达到清洗的目的。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1

如图1所示，图中自上而下设置有管道固定板11、分流板12，渗透膜5和喷嘴固定板13，其中，管道固定板上固定有进墨管和出墨管分别作为进墨口8和出墨口9，分流板12上设置有三个通孔，两侧的两个通孔作为墨水出口4，中间的通孔作为墨水入口3，如图2所示，分流板的背面上设置有两个盲孔，两个盲孔与墨水入口连接，渗透板上设置有4个通孔，分别与分流板上的两个墨水出口4和两个盲孔对应，喷嘴固定板的正面设置有流道，包括两个墨水入口3，两个墨水出口4和微流道2，从每个墨水出口出发，分别形成四级二分叉结构的微流道2，如图3和4所示，喷嘴1设置在二分叉结构的末端，两个墨水出口之间设置有出口通道15，出口通道与二分叉结构的末端连接。

实施例2

如图5和6所示，图中包括两块流道板14、三块渗透膜5和喷嘴固定板13，其中，流道板14和渗透膜5交替叠放，喷嘴固定板13放置在流道板和渗透膜的下方，流道板14的两侧上均设置有多级二分叉结构的微流道，如图7所示，喷嘴固定板13上设置的喷嘴与微流道的二分叉结构的末端对应，如图8所示，该喷嘴固定板13上也设置有出口通道15和墨水出口4，出口通道15设置在墨水出口4之间，将二分叉结构的末端连接。

实施例3

如图9所示，图中包括管道固定板11，渗透膜5和喷嘴固定板13，其中，管道固定板11上设置有进墨管和出墨管分别作为进墨口8和出墨口9，渗透膜5上设置与管道固定板上进墨口和出墨口对应的通孔，如图10所示，喷嘴固定板13的正面上设置有墨水入口3，墨水出口4和微流道2，微流道设置在墨水入口和出口之间，呈中心对称，喷嘴1设置微流道的二分叉末端，同时也是墨水入口3和墨水出口4的中心对称线上。

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 (7)

1.一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，该喷头包括流道和喷嘴(1)，其中，

所述流道包括墨水入口(3)、墨水出口(4)和微流道(2)，所述微流道(2)一端与所述墨水入口(3)连接，另一端与所述墨水出口(4)连接，该微流道(2)为从所述墨水入口(3)出发并关于该墨水入口(3)对称的一级或多级的二分叉结构，所述喷嘴(1)均匀分布在该二分叉结构的末端分支上；电喷印过程中，所述墨水出口关闭，墨水从所述墨水入口进入所述微流道，然后从所述喷嘴中喷出，实现均匀的电流体喷印；

所述喷头还包括渗透膜(5)，该渗透膜(5)覆盖在所述流道的上方，该渗透膜仅允许气体通过，用于将所述流道中的气体排出，避免形成气泡堵塞所述喷嘴；

所述喷嘴(1)的组数等于所述墨水入口(3)的数量，每组喷嘴中各个喷嘴的结构相同；具体的，对于具有两个墨水入口的流道，其包括两个微流道，喷嘴设置在微流道末端分支上，形成两组喷嘴，两组喷嘴交错均匀排列；当设置多组喷嘴时，流道板和渗透膜交替叠放，喷嘴固定板放置在流道板和渗透膜的下方，流道板的两侧上均设置有多级二分叉结构的微流道，喷嘴固定板上设置的喷嘴与微流道的二分叉结构的末端对应。

2.如权利要求1所述的一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，所述二分叉结构中的母通道的宽度与其两个相同的子通道的宽度之间满足下列关系：

D³＝2kd³

其中，D是母通道的宽度，d是子通道的宽度，k是修正系数，根据微通道横截面形状的不同，k选择不同的值。

3.如权利要求2所述的一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，在所述二分叉结构中，垂直于所述喷嘴(1)分布方向的每个分支其宽度和长度满足下列关系：长度/宽度≥0.06Re，其中，Re是微流道内墨水流动的雷诺数。

4.如权利要求1所述的一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，所述喷嘴(1)的底部截面形态为平口型、突出型和环槽型，另外，喷嘴底部需做疏水处理。

5.如权利要求1所述的一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，所述渗透膜(5)采用多孔的纤维膜。

6.如权利要求1所述的一种均匀喷射的电喷印喷头，其特征在于，喷头材料为绝缘性材料，包括玻璃、树脂或硅，选用硅时需对喷嘴底部做绝缘涂层处理。

7.一种电喷印系统，其特征在于，该电喷印系统包括权利要求1-6任一项所述的喷头、供墨单元(6)和废液回收单元(7)，其中，所述喷头同时与所述供墨单元(6)和废液回收单元(7)连接，所述供墨单元(6)用于为所述喷头提供墨水，所述废液回收单元(7)用于回收所述喷头中的墨水。

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