CN113352600B - 一种热气流加热固定的电喷印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种热气流加热固定的电喷印装置及方法，包括喷印模块、控制模块、视觉检测模块、温控模块四个部分。所述的流体喷印模块实现功能墨水以一定的流速流出喷头喷孔；所述控制模块是通过上位机对喷头夹具的位置控制，实现喷头按照预先规划路线动作；所述视觉检测模块由工业相机和红外光源构成，实现对喷印过程的实时监控；所述温控模块实现喷印过程中对微纳功能结构的加热固化。本发明的有益效果为装置简单，所设计的加热装置为热气流加热，衬底受热均匀，优化了微纳功能结构，提高了高性能纳米器件使用性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，提供一种热气流加热固定的电喷印装置及方法。
背景技术
电喷印是一种非接触式增材制造技术，利用流体压力将功能墨水供给到喷针出口处，形成初始的悬滴，接着在喷针与衬底间施加高电压，此时，悬滴在电场力及墨水表面张力、重力、粘性力等综合作用下形成泰勒锥，当电场力持续增大，液滴于泰勒锥尖端喷出，形成稳定的微纳米级射流。电喷印因具有加工精度高、材料利用率高、工艺简单、打印可控性强等优点，广泛应用于柔性显示、微纳传感器的制造过程中，成为微纳制造领域的研究热点。
目前，电喷印工艺多结合后处理加热工艺，以制备出微纳功能结构。现有电喷印装置中多为传统的加热装置，即平台基板中嵌入电阻丝，实现对喷印过程进行加热，在此情况下，加热电阻丝不能布满整个平台基板，使得喷印过程中衬底受热不均匀，喷印结构层与层之间结合不均匀，功能材料在衬底上不能迅速固化，线高宽比差，性能不佳。同时传统对打印衬底采用机械方式固定，对于脆性衬底的固定，容易造成损坏，限制了衬底的适应性。
发明内容
本发明为克服上述技术的不足，发明一种热气流加热固定的电喷印装置及方法。利用功能墨水在电场力作用下形成微米级精细射流，借助热空气产生的热辐射对平台基板均匀加热，实现打印结构迅速固化成型，由于循环热气流的存在，平台基板上形成压力差作用，实现对衬底的非接触式固定。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种热气流加热固定的电喷印装置，包括喷印模块、控制模块、视觉检测模块、温控模块四个部分。
所述喷印模块包括注射器、注射泵、上位机、红外加热灯、电压控制器、喷头夹具，喷头和功能墨水构成；所述注射泵由220V交流电源供电，注射泵夹紧固定注射器，功能墨水在注射泵压力和注射器复位弹簧压力的作用下进入注射器；注射器的一端和头部加工有喷孔，喷头上端通过塑料导管连接；所述的喷头夹具前端导电并夹紧喷头，后端绝缘和上位机连接，在空间上实现三维运动；所述的喷头由导电材料制造，头部加工喷孔；所述的电压控制器与交流电源连接，其输出端与喷头夹具导电部分的右端相连；所述的红外加热灯连接直流电源，由直流电源供电，灯身放置平台基板的上方，使灯光照射整个喷印表面区域并加热喷印材料的上表面。
所述控制模块包括上位机、温控箱、平台基板、红外加热灯、电压控制器、喷头夹具和喷头；所述温控箱内层由导热系数低的材料制作，所述平台基板固定于温控箱的上方，相对空间位置始终不变，所述平台基板上表面平面度在1-8微米，上位机控制喷头夹具的运动轨迹和运动速度，实现喷头在空间内按预期规划路线动作，实现各种图案喷印。
所述视觉检测模块包括工业相机和实时检测软件、上位机、平台基板、红外加热灯、喷头夹具和喷头；工业相机实时对平台基板上的喷印过程进行监测，将图像传送至上位机，上位机对图像信息处理，控制喷头夹具动作，实现整个喷印过程闭环连接；所述红外加热灯不仅对喷印过程进行加热，同时也起到了照明作用。
所述温控模块包括热风机、温控箱和抽风机；所述热风机由风机叶片、第一驱动电机、支架、第一进风口、热风炉、加热板、第一电源盒和第一出风口组成；所述温控箱由第二进风口、第二出风口、温度计、平台基板、定位销和温控箱；所述抽风机由第二驱动电机、第三进风口、焊接基底，第三出风口和风机叶片；所述第一驱动电机同风机叶片相连，置于支架上方，第一进风口和热风炉进风口焊接，加热板接交流电，第一出风口同温控箱法兰连接。
所述平台基板划分为四个部分，设有16个定位销，在加工的过程中，精准定位，提高加工精度，节省上下料时间。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种热气流加热固定的电喷印方法，采用上述装置进行实施，其方法步骤具体如下：
第一步，衬底预热与非接触式固定
打开第一驱动电机电源，接着打开第二驱动电机电源，使得空气开始流通，打开加热板电源，预热2-5分钟，观看温度计显示温度，调节加热板功率，使得温控箱达到工作温度；同时在平台基板上放置衬底，由于温控箱内部热空气的循环使得空气流速增大，内部工作环境处于低压状态，衬底在温控箱内外压力差作用下通过定位销实现精准定位与非接触式固定。
第二步，电喷射流的形成
利用注射泵将功能墨水注入喷头中，设定功能墨水流量，调节喷孔与衬底的间距，调节电压控制器输出交流脉冲电压、调节频率和电压，利用工业相机观测射流状态，最终使喷孔处的功能墨水形成远小于喷孔尺寸的稳定射流。
第三步，微纳功能结构的喷印制造
根据微纳功能结构的特征，编写运动控制程序，由上位机控制喷头夹具的运动轨迹和速度，在上位机上设定喷头夹具的运动速度，启动程序，喷头夹具随即按照程序运动，在衬底上打印出微纳功能结构，所述的微纳功能结构打印过程通过工业相机和实时监测软件监测，保证射流的稳定性。
第四步，热场辅助下微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水的固化分为红外加热灯上部加热和透过平台基板的喷印结构底部加热；使用红外加热灯在提供照明的作用下，同时对喷印过程起到了加热。微纳功能结构在打印的同时，射流下方正在打印的区域处在红外加热灯的照射加热范围内，调节红外加热灯功率满足打印过程对工作温度的要求；温控箱热空气的温度透过平台基板分布的小孔直接作用在衬底上，起到对加工图案底部的均匀加热，同时温度计实时显示温控箱温度，使射流在衬底上喷印的结构迅速固化成型，得到所需的微纳功能结构。
本发明的有益效果为：利用热气流加热固定的电喷印装置及方法，实现微纳功能结构的打印制造，利用热辐射作用，使喷印过程中衬底受热均匀，提升喷印结构的层间结合，喷射在衬底上的功能墨水迅速固化成型，实现微纳功能结构的高精度、高质量的电喷印制造，同时循环的热空气保持流场的存在，利用工作环境压力差实现对衬底的非接触式固定。结合热气流加热和非接触式固定衬底，实现微纳功能结构的电喷印制造，具有设备成本低，工艺简单，加工周期短等优势。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明现有技术中的技术方案，下面将现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的整体装配简图。
图2是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的注射器剖视图。
图3是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的加热装置结构示意图。
图4是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的温控箱结构示意图。
图5是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的抽风机结构示意图。
图6是本发明实施例中的一种热气流加热固定的电喷印装置及方法的喷头结构示意图。
图中：1注射器、111活塞、112复位弹簧、113注射器外筒、2注射泵、3工业相机，4上位机、5风机叶片、51第一驱动电、6热风机、61支架、62第一进风口、63热风炉、64第一出风口、65加热板、66第一电源盒、7温控箱、71第二进风口、72第二出风口、73定位销、8温度计、9抽风机、91第二驱动电机、92第三进风口、93焊接基台、94第三出风口、95风机叶片、10平台基板、11红外加热灯、12电压控制器、13喷头夹具、14喷头、141喷孔、15功能墨水。
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6。
实施例的喷印设备主要由喷印模块、控制模块、视觉检测模块、温控模块四个部分构成。所述喷印模块包括注射器(1)、注射泵(2)、上位机(4)、红外加热灯(11)、电压控制器(12)、喷头夹具(13)，喷头(14)和功能墨水(15)构成；所述注射泵(2)由220V交流电源供电，注射泵(2)夹紧固定注射器(1)，功能墨水(15)在注射泵(2)压力和注射器(1)复位弹簧(112)压力的作用下进入注射器(1)；注射器(1)的一端和头部加工有内径200微米以下喷孔(141)的喷头(14)上端通过塑料导管连接；所述的喷头夹具(13)前端导电并夹紧喷头(14)，后端绝缘并和上位机(4)连接，在空间上实现三维运动Oxyz；所述的喷头(14)由导电材料制造，头部加工喷孔(141)；所述的电压控制器(12)与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具(13)导电部分的右端相连；所述的红外加热灯(11)连接0-30V直流电源，由0-30V直流电源供电，灯身放置平台基板(10)的上方，使灯光照射整个喷印表面区域并加热喷印材料的上表面。
控制模块包括上位机(4)、温控箱(7)、平台基板(10)、红外加热灯(11)、电压控制器(12)，喷头夹具(13)和喷头(14)；所述平台基板(10)通过绝缘螺钉和绝缘垫圈固定于温控箱(7)的上方，相对空间位置始终不变，所述平台基板(10)上表面平面度在1-8微米，上位机(4)通过USB数据线同喷头夹具(13)连接，控制喷头夹具(13)的运动轨迹和运动速度，间接使得喷头(14)在空间实现三维运动Oxyz，按预期规划路线动作，实现各种图案喷印。
视觉检测模块由工业相机(3)及实时监测软件组成。所述的工业相机(3)对准正在打印的区域，由USB数据线将观测数据传输给上位机(4)，由此可以通过上位机(4)的实时监测软件实时监测打印过程，同时与预先规划路线相比较，控制喷头夹具(13)动作。
温控模块由热风机(6)，温控箱(7)和抽风机(9)组成。通过第一驱动电机(51)带动风机叶片(5)将空气吸入热风炉(63)，通过电热板(65)加热，进入温控箱(7)，第二驱动电机(91)带动风机叶片(95)旋转，抽离空气，形成完整的热空气流动，温度计(8)实时监控温控箱(7)温度。
本实施例中还公开了一种采用上述打印制造装置来打印微纳功能结构的方法，其具体步骤如下：
第一步，衬底预热与非接触式固定
打开第一驱动电机(51)电源，接着打开第二驱动电机(91)电源，使得空气开始流通，打开加热板(65)电源，预热2-5分钟，观看温度计(8)显示温度，调节加热板(65)功率，使得温控箱(7)温度达到80℃-100℃；同时在平台基板(10)上放置衬底，由于温控箱(7)内部热空气的循环使得空气流速增大，内部工作环境处于低压状态，衬底在温控箱(7)内外压力差作用下通过定位销(73)实现精准定位与非接触式固定。
第二步，电喷射流的形成
选用纳米银功能墨水(15)，其表面张力为30mN/m-80mN/m，粘度为3cP-10cP。通过注射泵(2)将功能墨水(15)注入喷头(14)中，设定功能墨水(15)流量为1.5μl/min-3μl/min。调节喷孔(141)与衬底的间距为2mm-12mm，调节电压控制器(12)输出交流脉冲电压，频率50Hz-100Hz，高压为2000V，利用工业相机(3)观测射流状态，最终使喷孔(141)处的功能墨水(15)形成远小于喷孔(141)尺寸的稳定射流。
第三步，微纳功能结构的喷印制造
根据光伏电池电极的形状，编写运动控制程序，由上位机(4)控制喷头夹具(13)的运动轨迹和速度，在上位机(4)上设定喷头夹具(13)的运动速度为5mm/s-8mm/s。启动程序，喷头夹具(13)随即按照程序运动，在衬底上打印出微纳功能结构，所述的微纳功能结构打印过程通过工业相机(3)和实时监测软件监测，保证射流的稳定性。
第四步，热场辅助下微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水(15)的固化分为红外加热灯(11)上部加热和透过平台基板(10)的喷印结构底部加热；使用红外加热灯(11)在提供照明的作用下，同时对喷印过程起到了加热。微纳功能结构在打印的同时，射流下方正在打印的区域处在红外加热灯的照射加热范围内，调节红外加热灯(11)功率为230W-380W；温控箱(7)热空气的温度透过平台基板(10)分布的小孔直接作用在衬底上，起到对加工图案底部的均匀加热，同时温度计实时显示温控箱温度，使射流在衬底上喷印的结构迅速固化成型，得到所需的微纳功能结构。
Claims (1)
1.一种热气流加热固定的电喷印装置，其包括喷印模块，控制模块，视觉检测模块和温控模块；其特征在于，所述喷印模块包括注射器(1)、注射泵(2)、上位机(4)、红外加热灯(11)、电压控制器(12)、喷头夹具(13)，喷头(14)和功能墨水(15)构成；所述注射泵(2)由220V交流电源供电，注射泵(2)夹紧固定注射器(1)，功能墨水(15)在注射泵(2)的压力和注射器(1)复位弹簧(112)的作用力下进入注射器(1)；注射器(1)的一端和喷头(14)上端通过塑料导管连接；所述的喷头夹具(13)前端导电并夹紧喷头(14)，后端绝缘和上位机(4)连接，在空间上实现三维运动；所述的喷头(14)由导电材料制造，头部加工喷孔(141)；所述的电压控制器(12)与220V交流电源连接，其输出端与喷头夹具(13)导电部分的右端相连；所述的红外加热灯(11)连接0-30V直流电源，由0-30V直流电源供电，灯身放置平台基板(10)的上方，使灯光照射整个喷印表面区域并加热喷印材料的上表面；
所述控制模块包括上位机(4)、温控箱(7)、平台基板(10)、红外加热灯(11)、电压控制器(12)，喷头夹具(13)和喷头(14)；所述平台基板(10)固定于温控箱(7)的上方，相对空间位置始终不变，所述温控箱(7)上表面平面度在1-8微米，上位机(4)控制喷头夹具(13)的运动轨迹和运动速度，使得喷头(14)在空间实现三维运动，按预期规划路线动作，实现各种图案喷印；
所述视觉检测模块包括工业相机(3)和实时检测软件、上位机(4)、平台基板(10)、红外加热灯(11)，喷头夹具(13)和喷头(14)；工业相机(3)实时对平台基板(10)上的喷印的过程进行监控，将图像传送至上位机(4)，上位机(4)对信息处理，控制喷头夹具(13)动作，实现整个喷印过程的闭环连接，所述红外加热灯(11)不仅对喷印过程进行加热，同时也起到了照明作用；
所述温控模块包括热风机(6)，温控箱(7)和抽风机(9)；所述热风机(6)由风机叶片(5)、第一驱动电机(51)、支架(61)、第一进风口(62)、热风炉(63)、加热板(65)，第一电源盒(66)和第一出风口(64)组成；所述温控箱(7)有第二进风口(71)、第二出风口(72)、温度计(8)、平台基板(10)，定位销(73)和温控箱(74)；所述抽风机(9)由第二驱动电机(91)、第三进风口(92)、焊接基底(93)，第三出风口(94)和风机叶片(95)构成；
进一步的，一种热气流加热固定的电喷印方法，采用上述打印装置进行实施，其特征在于，步骤如下：
第一步，衬底预热与非接触式固定
打开第一驱动电机(51)电源，接着打开第二驱动电机(91)电源，使得空气开始流通，打开加热板(65)电源，预热2-5分钟，观看温度计(8)显示温度，调节加热板(65)功率，使得温控箱(7)温度达到工作要求；同时在平台基板(10)上放置衬底，由于温控箱(7)内部热空气的循环使得空气流速增大，内部工作环境处于低压状态，衬底在温控箱(7)内外压力差作用下通过定位销(73)实现精准定位与非接触式固定；
第二步，电喷射流的形成
选用纳米银功能墨水(15)，通过注射泵(2)将功能墨水(15)注入喷头(14)中，调节喷孔(141)与衬底的间距，调节电压控制器(12)输出交流脉冲电压，频率和电压，利用工业相机(3)观测射流状态，最终使喷孔(141)处的功能墨水(15)形成远小于喷孔(141)尺寸的稳定射流；
第三步，微纳功能结构的喷印制造
根据光伏电池电极的形状，编写运动控制程序，由上位机(4)控制喷头夹具(13)的运动轨迹和速度，在上位机(4)上设定喷头夹具(13)的运动速度，启动程序，喷头夹具(13)随即按照程序运动，在衬底上打印出微纳功能结构，所述的微纳功能结构打印过程通过工业相机(3)和实时监测软件监测，保证射流的稳定性；
第四步，热场辅助下微纳功能结构的固化成型
喷印过程中功能墨水(15)的固化分为红外加热灯(11)上部加热和透过平台基板(10)的喷印结构底部加热；使用红外加热灯(11)在提供照明的作用下，同时对喷印过程起到了加热；微纳功能结构在打印的同时，射流下方正在打印的区域处在红外加热灯的照射加热范围内，调节红外加热灯(11)功率，温控箱(7)热空气的温度透过平台基板(10)分布的小孔直接作用在衬底上，起到对加工图案底部的均匀加热，同时温度计实时显示温控箱温度，使射流在衬底上喷印的结构迅速固化成型，得到所需的微纳功能结构。
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