CN113580567A - 一种微区同步固化电喷打印方法 - Google Patents

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CN113580567A CN202110770037.2A CN202110770037A CN113580567A CN 113580567 A CN113580567 A CN 113580567A CN 202110770037 A CN202110770037 A CN 202110770037A CN 113580567 A CN113580567 A CN 113580567A
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尤诚诚
刘麦祺
吴子晗
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Abstract

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种微区同步固化电喷打印方法。首先，打印墨水通过注射泵输出，经过连接导管输送到电喷射打印喷头中，同时，电位调节器使得打印喷头具有高电位，与运动基底之间形成高电压；当墨水输送到打印喷头的喷口时，在电场力、重力和自身表面张力的作用下形成精细射流；在打印过程中，电射流在接触打印衬底的同时，加热装置随即进行加热，使其中的有机溶剂快速挥发，从而实现同步固化，且加热装置仅对电射流接触衬底的局部区域进行加热，从而大幅度减小加热对打印衬底带来的热形变。此微区同步固化电喷打印装置及方法能够解决传统加热固化技术的问题，且具有低能耗、低成本等特点。

Description

一种微区同步固化电喷打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种微区同步固化电喷打印方法。
背景技术
打印技术是集计算机辅助设计、精密机械和材料科学于一体的无模成型方法，具有精准、快速和节省原料等优点。现在发展起来的打印技术有喷墨打印、挤出直写和电流体喷印。其中电流体喷印也被称为电流体喷射打印或电射流打印，是一种非接触式打印成型技术，可实现微米级甚至纳米级的高精度打印制造，具有工艺简单、材料适应性广、成本低等特点。打印过程中打印墨水在重力、表面张力和电场力的共同作用下形成精细射流，射流到达衬底后，其内的有机溶剂快速挥发，进而墨水在衬底上固化成型。传统的加热固化技术是对打印衬底进行整体加热，从而使打印墨水固化成型，但在此过程中，对于易受热形变的衬底，整体加热会使其发生严重的热形变，从而难以使打印墨水呈现出预期的打印效果，而且由于打印衬底的热形变，墨水固化过程中甚至会使衬底、打印结构发生断裂。此外，传统的加热固化技术对打印衬底进行整体加热，并且需要保证均匀加热，这对加热装置和衬底的导热性能具有一定的要求。
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，发明一种微区同步固化电喷打印方法。首先，打印墨水通过注射泵输出，经过连接导管输送到电喷射打印喷头中，同时，电位调节器使打印喷头具有高电位，与运动基底之间形成高电压。当墨水输送到打印喷头的喷口时，在电场力、重力和自身表面张力的复合作用下形成精细射流。在打印过程中，射流在达到衬底的同时，加热装置随即进行加热，使射流中的有机溶剂快速挥发，从而实现打印结构的同步固化，且加热装置仅对射流沉积在衬底的局部区域进行加热，从而大幅度减小加热对打印衬底带来的热形变。此微区同步固化电喷打印方法具有可控性强、低成本等特点。
本发明采取的技术方案是：
一种微区同步固化电喷打印方法，所用的电喷打印装置包括同步加热固化模块、运动调节模块、电喷打印模块；所述的同步加热固化模块包括活动臂、加热装置夹具、热气流喷头、运动基底、打印衬底、衬底夹具、计算机控制器、激光发生器、热照明灯、活动臂滑块；所述的热气流喷头、激光发生器、热照明灯均为加热装置，由交流电源供电，均位于打印衬底上方，用于加热打印衬底；热气流喷头通过加热装置夹具固定在活动臂上，活动臂固定在活动臂滑块下方，通过调节活动臂和活动臂滑块使加热装置发出的热量聚焦在指定位置；所述的运动基底上安装有热传感器，通讯连接计算机控制器，以配合热气流喷头(10)、激光发生器(16)、热照明灯(17)对打印衬底(12)加热；所述的衬底夹具(13)固定打印衬底(12)并且调节其在运动基底(11)上的位置。
所述的运动调节模块包括交流伺服电机、电机夹具、丝杠、纵向滑块、纵向支撑梁、CCD高清相机、横向承重梁；所述的交流伺服电机由交流电源供电，通过电机夹具固定在纵向支撑梁上丝杠呈竖向安装在纵向支撑梁上，丝杠的上端与交流伺服电机连接，纵向滑块能上下滑动地安装在纵向支撑梁上，且纵向滑块与丝杠螺旋传动连接；横向承重梁与纵向滑块固定连接，同步加热固化模块中的活动臂滑块安装在横向承重梁上；所述的CCD高清相机与控制计算机连接，用于观察打印墨水的固化状态和打印效果。
所述的电喷打印模块包括连接导管、注射泵、喷头夹具、电位调节器、电喷射打印喷头、精细射流；所述的注射泵通过螺丝固定在运动调节模块中的横向承重梁右上端；所述的电喷射打印喷头通过喷头夹具固定在横向承重梁左端；所述的连接导管两端分别连接注射泵和电喷射打印喷头，注射泵通过连接导管将打印墨水输入到电喷射打印喷头中；所述的电位调节器输出端与电喷射打印喷头连接，并向电喷射打印喷头提供电位；所述的精细射流形成于电喷射打印喷头出口处，且喷射到打印衬底上。
一种微区同步固化电喷打印方法，步骤具体如下：
第一步，同步固化装置的调节
利用衬底夹具将打印衬底固定在运动基底上，启动控制计算机和CCD高清相机，CCD高清相机获取打印衬底的空间形貌，将数据传输到控制计算机上，使计算机上显示捕获的高清图像，交流伺服电机与控制计算机连接，按照计算机预定的参数调节电喷打印喷头距离打印衬底的高度，选择合适的加热装置使其固定在加热装置夹具上，调节活动臂和活动臂滑块的位置使加热装置输出的热量聚焦在电喷射打印喷头的正下方的打印衬底的表面上，在打印开始前启动加热装置使加热装置进行预热；
第二步，多复合场条件下电射流形成
注射泵内装有打印墨水，并且由控制计算机人为操作控制启动，连接导管连接注射泵和电喷射打印喷头，打印墨水由注射泵输出，通过连接导管输送到电喷射打印喷头中，电位调节器与控制计算机连接，按照计算机预定参数调节电喷射打印喷头电位，此时电喷射打印喷头与运动基底之间会形成一定的电势差，打印墨水在重力场、电场、流体场的作用下，从喷头喷射出精细射流；
第三步，微区同步固化成型
喷射出的射流沉积到打印衬底时，由于预先调整的加热装置使热量聚焦到电喷射打印喷头正下方的打印衬底表面上的局部区域，打印墨水中的有机溶剂快速挥发，实现打印墨水在打印衬底上的快速固化，打印衬底固定在运动基底上沿着XY平面上运动，电喷射打印喷头与打印衬底相对运动，电喷射打印喷头和加热装置同时固定在横向承重梁上，喷头与加热装置相对静止，因此，加热装置可始终实现打印墨水的微区同步固化成型，打印墨水能够按照控制计算机中预定的轨迹进行固化成型，此外，CCD高清相机实时捕捉打印过程中打印墨水的固化形态，将数据传输到控制计算机，以方便人为的监控打印状态。
本发明的有益效果为：一种微区同步固化电喷打印方法，解决了传统加热固化技术现有不足，实现了射流到达打印衬底后的微区同步固化。输送到打印喷头喷口的墨水，在电场力、重力和自身表面张力的作用下形成精细射流，在打印过程中，射流沉积到衬底的同时，加热装置随即进行加热，使射流中的有机溶剂快速挥发，从而实现射流在衬底上的同步固化，且加热装置仅对射流沉积衬底的局部区域进行加热，从而大幅度减小加热对打印衬底带来的热形变。此微区同步固化电喷打印方法具有低能耗、低成本、适用性广等特点。
附图说明：
图1是本发明实施例中的微区同步固化电喷打印装置的装置简图。
图2是本发明实施例中加热装置调换的示意图。
图3是本发明实施例中微区同步固化示意图。
图中：1连接导管、2注射泵、3交流伺服电机、4电机夹具、5丝杠、6纵向滑块、7纵向支撑梁、8活动臂、9加热装置夹具、10热气流喷头、11运动基底、12打印衬底、13衬底夹具、14控制计算机、15 CCD高清相机、16激光发生器、17热照明灯、18喷头夹具、19电位调节器、20电喷射打印喷头、21横向承重梁、22活动臂滑块、23精细射流。
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。
实施例的一种微区同步固化电喷打印方法是利用一种微区同步固化电喷打印装置实现的，所述的装置包括同步加热固化模块、运动调节模块、电喷打印模块三部分。首先，打印墨水通过注射泵输出，经过连接导管输送到电喷射打印喷头中，同时，电位调节器使打印喷头具有高电位，与运动基底之间形成高电压，当墨水输送到打印喷头的喷口时，在电场力、重力和自身表面张力的作用下形成精细射流，在打印过程中，射流在沉积到打印衬底的同时，加热装置随即进行加热，使其中的有机溶剂快速挥发，从而实现同步固化，且加热装置仅对电射流接触衬底的局部区域进行加热，从而大幅度减小加热对打印衬底带来的热形变。
具体地讲，在本实例中，所述的同步加热固化模块包括活动臂8、加热装置夹具9、热气流喷头10、运动基底11、打印衬底12、衬底夹具13、计算机控制器14、激光发生器16、热照明灯17、活动臂滑块22；所述的热气流喷头10、激光发生器16、热照明灯17均为加热装置，由交流电源供电，均位于打印衬底12上方，用于加热打印衬底12；所述的热气流喷头10、激光发生器16、热照明灯17均由220V交流电源供电，且与计算机控制器14连接，根据不同的材料要求，选取不同的加热装置，调节不同的输出功率，热气流喷头通过加热装置夹具9固定在活动臂8上，活动臂8固定在活动臂滑块22下方，通过调节活动臂8和活动臂滑块22使热量聚焦在指定位置。所述的运动基底11上的安装有热传感器，通讯连接计算机控制器14，以配合热气流喷头10、激光发生器16、热照明灯17对打印衬底12加热，以配合加热装置对打印衬底12加热。
所述的运动调节模块包括交流伺服电机3、电机夹具4、丝杠5、纵向滑块6、纵向支撑梁7、CCD高清相机15、横向承重梁21。所述的交流伺服电机3由220V交流电源供电，通过电机夹具4固定在纵向支撑梁7上。丝杠5呈竖向安装在纵向支撑梁7上，丝杠5的上端与交流伺服电机3连接，纵向滑块6能上下滑动地安装在纵向支撑梁7上，且纵向滑块6与丝杠5螺旋传动连接；横向承重梁21与纵向滑块6固定连接，同步加热固化模块中的活动臂滑块22安装在横向承重梁21上；交流伺服电机3带动丝杠5并驱动纵向滑块6使打印喷头能够在Z轴精确移动；所述的纵向滑块6、纵向支撑梁7、横向承重梁21材质均为20CrMn，具有高强度，高耐磨性等优点，其中纵向支撑梁7、横向承重梁21均为工字形结构，使其具有更高的载荷能力；所述的活动臂8下端通过铰链连接加热装置夹具9，以使加热装置固定，上端通过铰链连接活动臂滑块22，使加热装置能够随活动臂滑块22沿着横向承重梁21横向移动。活动臂8上下两端也通过铰链连接，使加热装置能够纵向移动。所述的三个铰链的配合能够使加热装置调节到合适位置，以获得更好的加热效果；所述的运动基底11由220V交流电源供电，可以实现XY平面移动，使打印衬底12相对于电喷射打印喷头20运动，从而使打印墨水在打印衬底12上能够有预期的打印轨迹。运动基底11中装有热传感器并且与控制计算机14连接，以监控打印衬底12的温度，配合加热装置使加热装置在打印衬底12上输出合适的温度；所述的衬底夹具13能够固定打印衬底12并且调节其在运动基底11上的位置，以配合不同大小的打印衬底；所述的CCD高清相机15与控制计算机14连接，用于观察打印墨水的固化状态和打印效果。
所述的电喷打印模块包括连接导管1、注射泵2、喷头夹具18、电位调节器19、电喷射打印喷头(20)、精细射流23；所述的电位调节器19、注射泵2均由220V交流电源供电。其中电位调节器19与控制计算机14连接能给电喷射打印喷头20提供0～10kV电位，运动基底11接地线，当提供足够高的电位时，电喷射打印喷头20与运动基底11将产生高电压。注射泵2将打印墨水通过连接导管1输入到电喷射打印喷头20中，在流体场、电场和重力场的作用下形成精细射流23，喷射到打印衬底12上。所述的电喷射打印喷头20通过喷头夹具18固定在横向承重梁21左端。所述的注射泵2通过螺丝固定在横向承重梁21右上端。电喷射打印喷头20配合Z轴运动模块和XY轴运动模块在打印衬底12上按照计算机预期轨迹进行打印。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
采用上述装置进行微区同步固化电喷打印，包括以下步骤：
第一步，装置打印前调整
将尺寸不超过60×60cm厚度0.5-300mm的打印衬底12通过衬底夹具13以机械压持的方式固定在运动基底11上，启动控制计算机14和CCD高清相机15，CCD高清相机获取打印衬底的空间形貌，将数据传输到控制计算机14上，使计算机上显示捕获的高清图像，交流伺服电机3与控制计算机14连接，按照计算机预定的参数调节电喷打印喷头20距离打印衬底12的高度，高度的变化范围为0-30cm，选择合适的加热装置使其固定在加热装置夹具9上，所述的激光发生器16输出功率为0-2kW，输出激光直径可通过控制计算机14进行调节，直径范围为10-2000μm，可进行微小范围的局部加热，并且能够在瞬间输出大量的热量，所述的热气流喷头10输出功率为0-800W，可进行4cm2范围的局部加热，并且可根据材料性质输出湿度范围为5-98％的热气流，所述的热照明灯输出功率为0-600W，可进行大范围的缓慢加热，调节活动臂8和活动臂滑块22的位置使加热装置输出的热量聚焦在电喷射打印喷头20的正下方的打印衬底12的表面上，在打印开始前启动加热装置30s左右使加热装置进行预热；
第二步，多复合场条件下电射流形成
注射泵2内装有打印墨水，并且由控制计算机14人为操作控制启动，连接导管1连接注射泵2和电喷射打印喷头20，注射泵2以20kP的压力将打印墨水输出，通过连接导管1输送到电喷射打印喷头20中，电位调节器19与控制计算机14连接，所述的电位调节器19能够输出范围为0-10kV，按照计算机预定参数调节电喷射打印喷头20电位，由于运动基底接地，此时电喷射打印喷头20与运动基底11之间会形成与电位调节器19输出电位相同的电势差，打印墨水在重力场、电场和流体场的作用下，从喷头喷射出直径为0.3-45μm精细射流23；
第三步，微区同步固化成型
在打印过程中，打印墨水通过电喷射打印喷头20形成精细射流23，在沉积到打印衬底12时，由于预先调整的加热装置使热量聚焦到电喷射打印喷头20正下方的打印衬底12表面上的局部区域，打印墨水中的有机溶剂挥发，立即开始固化，打印衬底12固定在运动基底11上沿着XY平面上运动，电喷射打印喷头与打印衬底12相对运动，电喷射打印喷头20和加热装置同时固定在横向承重梁21上，喷头与加热装置相对静止，因此，加热装置跟随着电喷射打印喷头20移动，根据打印衬底材料的固化速率，在控制计算机14上输入固定参数，使电喷打印喷头20按照一定速率，相对于运动基底11运动，打印墨水按照控制计算机14中预定的轨迹进行固化成型，此外，CCD高清相机15实时捕捉打印过程中打印墨水的固化形态，将数据传输到控制计算机14，以方便人为的监控打印状态。

Claims (2)

1.一种微区同步固化电喷打印方法，其特征在于，所用的电喷打印装置包括同步加热固化模块、运动调节模块、电喷打印模块；所述的同步加热固化模块包括活动臂(8)、加热装置夹具(9)、热气流喷头(10)、运动基底(11)、打印衬底(12)、衬底夹具(13)、计算机控制器(14)、激光发生器(16)、热照明灯(17)、活动臂滑块(22)；所述的热气流喷头(10)、激光发生器(16)、热照明灯(17)均为加热装置，由交流电源供电，均位于打印衬底(12)上方，用于加热打印衬底(12)；所述的热气流喷头(10)通过加热装置夹具(9)固定在活动臂(8)上，活动臂(8)固定在活动臂滑块(22)下方，通过调节活动臂(8)和活动臂滑块(22)使加热装置发出的热量聚焦在指定位置；所述的运动基底(11)上安装有热传感器，通讯连接计算机控制器(14)，以配合热气流喷头(10)、激光发生器(16)、热照明灯(17)对打印衬底(12)加热；所述的衬底夹具(13)固定打印衬底(12)并且调节其在运动基底(11)上的位置；
所述的运动调节模块包括交流伺服电机(3)、电机夹具(4)、丝杠(5)、纵向滑块(6)、纵向支撑梁(7)、CCD高清相机(15)、横向承重梁(21)；所述的交流伺服电机(3)由交流电源供电，通过电机夹具(4)固定在纵向支撑梁(7)上；丝杠(5)呈竖向安装在纵向支撑梁(7)上，丝杠(5)的上端与交流伺服电机(3)连接，纵向滑块(6)能上下滑动地安装在纵向支撑梁(7)上，且纵向滑块(6)与丝杠(5)螺旋传动连接；横向承重梁(21)与纵向滑块(6)固定连接，同步加热固化模块中的活动臂滑块(22)安装在横向承重梁(21)上；所述的CCD高清相机(15)与控制计算机(14)通信连接，用于观察打印墨水的固化状态和打印效果；
所述的电喷打印模块包括连接导管(1)、注射泵(2)、喷头夹具(18)、电位调节器(19)、电喷射打印喷头(20)、精细射流(23)；所述的注射泵(2)通过螺丝固定在运动调节模块中的横向承重梁(21)右上端；所述的电喷射打印喷头(20)通过喷头夹具(18)固定在横向承重梁(21)左端；所述的连接导管(1)两端分别连接注射泵(2)和电喷射打印喷头(20)，注射泵(2)通过连接导管(1)将打印墨水输入到电喷射打印喷头(20)中；所述的电位调节器(19)输出端与电喷射打印喷头(20)连接，并向电喷射打印喷头(20)提供电位；所述的精细射流(23)形成于电喷射打印喷头(20)出口处，且喷射到打印衬底(12)上。
2.采用权利要求1所述的打印装置进行微区同步固化电喷打印，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，同步固化装置的调节
利用衬底夹具(13)将打印衬底(12)固定在运动基底(11)上，启动控制计算机(14)和CCD高清相机(15)，CCD高清相机(15)获取打印衬底(12)的空间形貌，将数据传输到控制计算机(14)上，使计算机上显示捕获的高清图像，交流伺服电机(3)与控制计算机(14)连接，按照计算机预定的参数调节电喷打印喷头(20)距离打印衬底(12)的高度，选择合适的加热装置使其固定在加热装置夹具(9)上，调节活动臂(8)和活动臂滑块(22)的位置使加热装置输出的热量聚焦在电喷射打印喷头(20)的正下方的打印衬底(12)的表面上，在打印开始前启动加热装置使加热装置进行预热；
第二步，多复合场条件下电射流形成
注射泵(2)内装有打印墨水，并且由控制计算机(14)人为操作控制启动，连接导管(1)连接注射泵(2)和电喷射打印喷头(20)，打印墨水由注射泵(2)输出，通过连接导管(1)输送到电喷射打印喷头(20)中，电位调节器(19)与控制计算机(14)连接，按照计算机预定参数调节电喷射打印喷头(20)电位，此时电喷射打印喷头(20)与运动基底(11)之间会形成一定的电势差，打印墨水在重力场、电场、流体场的作用下，从喷头喷射出精细射流(23)；
第三步，微区同步固化成型
喷射出的射流沉积到打印衬底(12)时，由于预先调整的加热装置使热量聚焦到电喷射打印喷头(20)正下方的打印衬底(12)表面上的局部区域，打印墨水中的有机溶剂快速挥发，实现打印墨水在打印衬底(12)上的快速固化，打印衬底(12)固定在运动基底(11)上沿着XY平面上运动，电喷射打印喷头(20)与打印衬底(12)相对运动，电喷射打印喷头(20)和加热装置同时固定在横向承重梁(21)上，喷头与加热装置相对静止，因此，加热装置可始终实现打印墨水的微区同步固化成型，打印墨水能够按照控制计算机(14)中预定的轨迹进行固化成型，此外，CCD高清相机(15)实时捕捉打印过程中打印墨水的固化形态，将数据传输到控制计算机(14)，以方便人为的监控打印状态。
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