CN113232416B - 基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进制造技术领域，提供一种基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法，本发明首先利用高清CCD相机识别打印衬底的空间形貌，然后将所测的信息传输给电脑控制器，电脑控制器控制步进电机转动，步进电机通过丝杠螺母在线调节阵列喷头的垂直距离，以保证每个喷头到衬底的距离均相等；接着利用注射器对功能墨水施加流体压力，使之以某一固定的流速流出，在打印衬底和阵列喷头之间施加电场，喷孔处功能墨水在电场力作用下形成精细射流，同时利用外部条件对衬底进行加热，使喷印到衬底上的功能墨水迅速固化成型，实现在非平面衬底上共形结构的电喷打印制造。此非平面电喷打印装置及方法具有工艺简单、周期短、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法。
背景技术
非平面结构在现代通讯、柔性电子显示、可穿戴医疗等领域得到了广泛的应用。例如，无线电子通讯中的共性天线，为非平面结构并包含了一个完整的射频系统，制备时要求系统中全部结构与承载体外形一致；曲面柔性显示屏幕，要求能随着屏幕曲率的变化调整附加层状结构的曲面特征。非平面结构制造中通常以某种方式将功能结构制备到曲面上。传统的制备方法有丝网印刷和化学/物理气相沉积。丝网印刷是采用刻膜的方法在遮挡层上按所需图形预制出网孔，网孔和衬底的距离是固定的，当印刷非平面结构时，网孔和衬底的距离是变化的，丝网印刷难以实现随非平面结构曲率的变化及时调整网孔到衬底的距离，制备的非平面结构均匀性差。化学/物理气相沉积法设备昂贵、工艺过程复杂、材料适应性受限。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足，发明一种基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法。首先，利用高清CCD相机对非平面打印衬底空间形貌进行识别，根据打印衬底的空间形貌在线调整阵列喷头和打印衬底之间的距离；接着，利用功能墨水在电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等综合作用下获得精细射流，同时利用外部条件对衬底进行加热，使喷印到衬底上的功能墨水迅速固化成型，实现在非平面衬底上共形结构的电喷打印制造。此非平面电喷打印装置及方法具有工艺简单、周期短、成本低等优点。
为了解决这个问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置，可根据非平面特征在线调节喷头的空间位置，使阵列喷头中的每一个喷头与衬底间距保持一致。该装置首先利用高清CCD相机测量非平面打印衬底的空间形貌，然后将所测的空间形貌信息用USB数据线传输给电脑控制器，电脑控制器利用程序控制步进电机转动，步进电机通过丝杠螺母调整阵列喷头的垂直距离，以保证每个喷头到衬底的距离均相等，实现阵列喷头的空间可调；接着利用注射器对功能墨水施加流体压力，使之以某一固定的流速流至喷头口后，在衬底和阵列喷头之间施加高压电场，喷孔处功能墨水在电场力作用下形成精细射流，此时，每个喷头到衬底的距离均相等，喷口处能墨水受到的电场力均相同，每个喷头均可获得稳定、可控、尺寸一致的射流。当打印结构的空间形貌发生改变时(例如图案线条水平间距发生改变)，步进电机通过丝杠控制阵列喷头水平移动来适应图案的改变。所述的基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置主要包括流体喷印模块，运动模块，图像识别模块和控制模块。
所述的流体喷印模块包括注射泵、注射器、功能墨水、阵列喷头、喷头夹具、电压控制器、喷孔；所述的注射泵由220V的交流电源供电，将功能墨水吸入到注射器中，注射器夹紧固定在注射泵上，注射器的针头一端和阵列喷头上端通过密封导管连接；所述喷头夹具定位夹紧阵列喷头，所述的喷头夹具左右两侧导电并夹紧阵列喷头，喷头夹具的左右两侧通过丝杠固定在步进电机上，阵列喷头可随喷头夹具在垂直方向移动实现喷印高度的调节。所述阵列喷头由导电材料制造，头部加工有内径极小的喷孔；所述电压控制器的电源线连接交流电源，电压输出范围可调，其输出端与喷头夹具导电部分相连接。
所述的运动模块包括固定基底、步进电机、运动平台、运动平台基板、丝杠、螺母套筒、打印衬底；所述的步进电机固定夹紧在固定基底上，步进电机通过程序来控制其转速；所述的喷头夹具和螺母套筒紧固连接，步进电机带动丝杠旋转，丝杠旋转带动螺母套筒和阵列喷头在垂直方向移动，同时丝杠的旋转带动固定基底和阵列喷头水平移动；所述运动平台基板的下端用绝缘螺钉与垫圈固定在运动平台上，使之能跟随运动平台做相同的运动；所述的运动平台由220V交流电源供电，并用USB数据线和电脑控制器连接，实现通信；所述的运动平台可以在电脑控制器的程序控制下在X-Y平面内运动，通过电脑控制器还可以控制其运动快慢和运动轨迹；在运动平台基板上方放置打印衬底，使其跟随运动平台做相同的移动。
所述的图像识别装置包括高清CCD相机及其实时检测软件。所述的高清CCD相机与打印区域对准，利用高清CCD相机测量非平面打印衬底的空间形貌，由USB数据线将其观测的数据传给电脑控制器，并通过电脑控制器来在线调整阵列喷头和打印衬底之间的距离。
所述的控制模块包括电脑控制器，所述的电脑控制器控制运动平台的运动轨迹和运动速度；所述的电脑控制器通过程序控制步进电机的转速，从而控制阵列喷头与打印衬底之间的距离，所述的电脑控制器通过程序控制步进电机的转速，从而控制阵列喷头水平移动来调整阵列喷头中每个喷头之间的距离。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印方法，采用上述的电喷打印装置进行实施，其方法步骤具体如下：
第一步，利用高清CCD相机识别打印衬底空间形貌
在运动平台基板上放置打印衬底并且将其夹紧固定。通过高清CCD相机识别出打印衬底的空间形貌，用USB数据线将所测得信息传输给电脑控制器，电脑控制器实时调整阵列喷头和打印衬底之间的距离。通过注射泵将功能墨水注入阵列喷头中，阵列喷头夹紧固定在喷头夹具上，喷头夹具通过丝杠固定在步进电机上，阵列喷头可随喷头夹具在垂直方向移动实现喷印高度的调节，通过控制注射泵对注射器施加压力来调节功能墨水的流速。调节喷孔与打印衬底的间距，为了获得精细射流，在喷头夹具和打印衬底之间引入电场，打开电压控制器，高压电源通过导电喷头夹具向阵列喷头施加高电压，此时在阵列喷头与打印衬底之间形成强电场力，阵列喷头内的功能墨水受到电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等作用下在阵列喷头出口处形成精细射流，最终形成远小于喷孔内径的稳定射流。
第二步，基于打印衬底形貌在线调整阵列喷头和打印衬底之间的距离
根据打印衬底的形貌，编写运动控制程序，由电脑控制器控制运动平台的运动轨迹和速度，由注射泵调节喷孔处功能墨水的流速，同时在阵列喷头和打印衬底之间加合适的电场，电脑控制器可根据打印衬底非平面特征在线调节阵列喷头的空间位置，使阵列喷头中的每一个喷头与打印衬底间距保持一致。利用高清CCD相机对空间形貌进行识别，然后将所测的空间形貌信息用USB数据线传输给电脑控制器，电脑控制器利用程序控制步进电机转动，步进电机通过丝杠螺母套筒调整阵列喷头和打印衬底的垂直距离，以保证每个喷头到打印衬底的距离均相等，当打印结构的空间形貌发生改变时(例如图案线条水平间距发生改变)，步进电机通过丝杠控制阵列喷头水平移动来适应图案的改变，从而实现阵列喷头的空间可调。
本发明的有益效果为：基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法，实现非平面衬底上电喷打印制造。利用高清CCD相机测量非平面打印衬底的空间形貌，电脑控制器可根据打印衬底非平面特征在线调节阵列喷头在垂直方向上的位置，使阵列喷头中的每一个喷头与衬底间距保持一致；同时阵列喷头中单个喷头水平间距可实时调整，从而实现阵列喷头的空间位置可调。利用功能墨水在电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等综合作用下获得精细射流，同时利用外部条件对衬底进行加热，使喷印到衬底上的功能墨水迅速固化成型，实现在非平面衬底上共形结构的电喷打印制造。此非平面电喷打印装置及方法具有工艺简单、周期短、成本低等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中的基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置及方法简图。
图2是本发明实施例中的实现打印阵列喷头垂直移动装置简图。
图3是本发明实施例中的实现打印阵列喷头水平移动装置简图。
图中：1电脑控制器、2高清CCD相机、3注射泵、4注射器、5功能墨水、6固定基底、7步进电机、8阵列喷头、9喷头夹具、10电源控制器、11运动平台、12运动平台基板、13丝杠、14螺母套筒、15打印衬底、16喷孔。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图3。
本实施例公开了基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置，该装置主要包括流体喷印模块，运动模块，图像识别模块和控制模块四部分。首先利用高清CCD相机对打印衬底空间形貌进行识别，根据所识别的信息在线调整阵列喷头和打印衬底之间的距离；接着，利用功能墨水在电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等综合作用下获得精细射流，同时利用外部条件对衬底进行加热，使喷印到衬底上的功能墨水迅速固化成型，实现在非平面衬底上共形结构的电喷打印制造。
具体的讲，在本实例中，所述的流体喷印模块包括注射泵3、注射器4、功能墨水5、阵列喷头8、喷头夹具9、电压控制器10，喷孔16，所述的运动模块包括固定基底6、步进电机7、运动平台11、运动平台基板12、丝杠13、螺母套筒14、打印衬底15、所述的图像识别装置包括高清CCD相机2及其实时检测软件，所述的控制模块包括电脑控制器1。所述的注射器4固定于注射泵3上方，将功能墨水5吸入注射器4中，注射器4通过密封导管与阵列喷头8上端进口连接。阵列喷头8由导电材料制造，头部加工有内径极小的喷孔16，并由喷头夹具9定位夹紧。喷头夹具9后端绝缘并和螺母套筒14紧固连接，螺母套筒14和丝杠13以螺纹连接，步进电机7带动丝杠13旋转，以实现喷印高度的调节；电压控制器10的输出端连接在喷头夹具9的右端。所述的运动平台11可以在X-Y平面内运动，电脑控制器1控制其运动轨迹和运动的快慢。所述的运动平台基板12是平面度较高的金属厚板，其下端用绝缘螺钉与垫圈固定在运动平台11上，使之能跟随运动平台11做相同的运动。所述的高清CCD相机2正对打印区域，利用高清CCD相机测量非平面打印衬底的空间形貌，由USB数据线将其观测的数据传给电脑控制器1，当打印衬底15是非平面时，电脑控制器1通过控制步进电机7来实在线时调整阵列喷头8中每一个喷头和打印衬底15之间的距离。同时步进电机7也可以调整阵列喷头8的水平间距。
本实施例中还公开了一种基于采用上述打印装置在非平面上电喷打印的方法，具体实施步骤如下：
第一步，通过高清CCD相机识别打印衬底空间形貌
在运动平台基板12上放置厚度为0.5-200μm的打印衬底15，并且将其夹紧固定，固定方式为真空吸附或机械压持，通过高清CCD相机2探测出打印衬底15的形貌，所述高清CCD相机2的刷新率为75Hz-120Hz，用USB数据线将所测得信息传输给电脑控制器1，电脑控制器1调实时整阵列喷头8和打印衬底15之间的距离，注射泵3上方固定有量程为5-150μL的注射器4，注射器4通过导管与阵列喷头8上端连接，通过对注射泵3施加压力将功能墨水5注入阵列喷头8中，所述注射泵3对注射器4施加100-2000N压力，调节功能墨水5的流速为0.1-1000μL/min，阵列喷头8夹紧固定在喷头夹具9上，喷头夹具9通过丝杠13固定在步进电机7上，阵列喷头8可随喷头夹具9在垂直方向移动实现喷印高度的调节。为了获得精细射流，在喷头夹具9和打印衬底15之间引入电场，打开电压控制器10，所述电压控制器10的电压调节范围为1000-2800V，通过导电喷头夹具9向阵列喷头8施加适量高电压，此时在阵列喷头8与打印衬底15之间形成强电场力，阵列喷头8内的功能溶液5受到电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等作用下在阵列喷头8出口处形成精细射流，最终在喷孔16处形成直径为0.5-50μm稳定射流。
第二步，基于打印衬底形貌在线调整阵列喷头和打印衬底之间的距离
阵列喷头8夹紧固定在喷头夹具9上，喷头夹具9通过螺母套筒14和丝杠13连接，根据打印衬底15的形貌，电脑控制器1通过PLC程序控制步进电机7的转速，其转速为0.2-15°/Hz，步进电机7通过丝杠13来调整阵列喷头8和打印衬底15之间的距离，调整尺寸为1-3mm，阵列喷头8垂直移动速度为0.01m-0.1m/s，水平移动速度为0.05-0.5m/s，打印过程中由电脑控制器1控制运动平台11的运动轨迹和速度，运动速度范围0.01-0.05m/s。
Claims (1)
1.基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印装置，其包括流体喷印模块，运动模块，图像识别模块和控制模块；其特征在于，所述的流体喷印模块包括注射泵(3)、注射器(4)、功能墨水(5)、阵列喷头(8)、喷头夹具(9)、电压控制器(10)、喷孔(16)；所述的注射泵(3)由220V的交流电源供电，将功能墨水(5)吸入到注射器(4)中，注射器(4)夹紧固定在注射泵(3)上，注射器(4)的针头一端和阵列喷头(8)上端通过密封导管连接；所述喷头夹具(9)定位夹紧阵列喷头(8)，所述的喷头夹具(9)左右两侧导电并夹紧阵列喷头(8)，喷头夹具(9)的左右两侧通过丝杠(13)固定在步进电机(7)上，阵列喷头(8)可随喷头夹具(9)在垂直方向移动实现喷印高度的调节；所述阵列喷头(8)由导电材料制造，头部加工有内径极小的喷孔(16)；所述电压控制器(10)的电源线连接交流电源，电压输出范围可调，其输出端与喷头夹具(9)导电部分相连接；
所述的运动模块包括固定基底(6)，步进电机(7)，运动平台(11)，运动平台基板(12)，丝杠(13)，螺母套筒(14)，打印衬底(15)；所述的步进电机(7)定位夹紧在固定基底(6)上，步进电机(7)通过程序来控制其转速；所述的喷头夹具(9)和螺母套筒(14)紧固连接，步进电机(7)带动丝杠(13)旋转，丝杠(13)旋转带动螺母套筒(14)和阵列喷头(8)在垂直方向移动，同时丝杠(13)的旋转带动固定基底(6)和阵列喷头(8)水平移动；所述运动平台基板(12)的下端用绝缘螺钉与垫圈固定在运动平台(11)上，使之能跟随运动平台(11)做相同的运动；所述的运动平台(11)由220V交流电源供电，并用USB数据线和电脑控制器(1)连接，实现通信；所述的运动平台(11)可以在电脑控制器(1)的程序控制下在X-Y平面内运动，通过电脑控制器(1)还可以控制其运动快慢和运动轨迹；在运动平台基板(12)上方放置打印衬底(15)，使其跟随运动平台(11)做相同的移动；
所述的图像识别装置包括高清CCD相机(2)及其实时检测软件；所述的高清CCD相机(2)与打印区域对准，利用高清CCD相机(2)识别非平面打印衬底(15)的空间形貌，由USB数据线将其观测的数据传给电脑控制器(1)，并通过电脑控制器(1)来在线调节阵列喷头(8)和打印衬底(15)之间的距离；
所述的控制模块包括电脑控制器(1)，所述的电脑控制器(1)控制运动平台(11)的运动轨迹和运动速度；所述的电脑控制器(1)通过程序控制步进电机(7)的转速从而控制阵列喷头(8)与打印衬底(15)之间的距离，所述的电脑控制器(1)通过程序控制步进电机(7)的转速，从而控制阵列喷头(8)水平移动来调节阵列喷头(8)中每个喷头之间的距离；
基于阵列喷头空间可调的非平面电喷打印方法的步骤为：
第一步，利用高清CCD相机测量打印衬底空间形貌
在运动平台基板(12)上放置打印衬底(15)并且将其夹紧固定，通过高清CCD相机(2)识别出打印衬底(15)的形貌，用USB数据线将所测得信息传输给电脑控制器(1)，电脑控制器(1)调节阵列喷头(8)和打印衬底(15)之间的距离；通过注射泵(3)将功能墨水(5)注入阵列喷头(8)中，阵列喷头(8)夹紧固定在喷头夹具(9)上，喷头夹具(9)通过丝杠(13)固定在步进电机(7)上，阵列喷头(8)可随喷头夹具(9)在垂直方向移动实现喷印高度的调节，通过控制注射泵(3)对注射器(4)施加压力来调节功能墨水(5)的流速；调节喷孔(16)与打印衬底(15)的间距，为了获得精细射流，在喷头夹具(9)和打印衬底(15)之间引入电场，打开电压控制器(10)，高压电源通过导电喷头 夹具(9)向阵列喷头(8)施加高电压，此时在阵列喷头(8)与打印衬底(15)之间形成强电场力，阵列喷头(8)内的功能墨水(5)受到电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力作用下在阵列喷头(8)出口处形成精细射流，最终形成远小于喷孔(16)内径的稳定射流；
第二步，基于打印衬底形貌在线调节阵列喷头和打印衬底之间的距离
根据打印衬底(15)的形貌，编写运动控制程序，由电脑控制器(1)控制运动平台(11)的运动轨迹和速度，由注射泵(3)调节喷孔(16)处功能墨水(5)的流速，同时在阵列喷头(8)和打印衬底(15)之间加合适的电场，电脑控制器(1)可根据打印衬底(15)非平面特征在线调节阵列喷头(8)的空间位置，使阵列喷头(8)中的每一个喷头与打印衬底(15)间距保持一致；利用高清CCD相机(2)识别非平面打印衬底(15)的空间形貌，然后将所测的空间形貌信息用USB数据线传输给电脑控制器(1)，电脑控制器(1)利用程序控制步进电机(7)转动，步进电机(7)通过丝杠(13)和螺母套筒(14)调节阵列喷头(8)和打印衬底(15)的垂直距离，以保证每个喷头到打印衬底(15)的距离均相等，当打印结构的空间形貌发生改变时，步进电机(7)通过丝杠(13)控制阵列喷头(8)水平移动来适应图案的改变，从而实现阵列喷头(8)的空间位置可调。
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