CN113840660B - 用于流体的喷墨打印头 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于分配流体的打印头(10)。该打印头包括至少一个腔室；压电致动式流道分配器(14)的阵列，其封闭在至少一个腔室中；多孔分配板(16)；以及空气分配元件(18)，其包括压缩空气源和构造为引导空气流的空气流控制器。

Description

用于流体的喷墨打印头
技术领域
本发明涉及一种用于分配流体的打印头和系统，并且特别地涉及一种流体分配系统中的打印头。打印头配置有数控压电致动式流道分配器的阵列和空气分配元件，并且所得到的系统能够高精度地分配或定量配给渗透或涂布材料所需要的工业流体。待涂布材料包括纺织品、纸、薄纸、金属表面和塑料表面。
背景技术
通过对分配器孔的数字控制来实现精确涂布，使得工业流体的2D和3D分布可以被控制在目标值的几个百分点内。这种用于涂布或定量配给的流体的精确施加的原理是通用的，并且适用于许多工业用途。进一步的示例应用包括：纺织品涂布、对印刷纸板施加预处理；多层电池材料的制造；显示设备的元件的制造；用于金属铸造的3D打印模具。
目前的纺织品涂布是破坏环境的过程，这主要是由于产生纺织品重量的许多倍的大量废水。
常规的涂布工艺是浸浴涂布、喷涂和利用辊涂机构的浸轧。所有这些方法一般都向纺织品材料过量配给，以确保待涂布物质在涂布过程中保持过量存在，从而避免产生倾向于使待涂布物质离开纺织品材料的浓度梯度。
传统上，进行浸浴涂布以使涂布材料能够被吸收在纤维表面。因为通常需要洗去过量涂料，这种工艺中使用的水的重量通常是纺织品重量的许多倍。涂料可以基本上不溶于水，并且需要时间以吸收在纤维表面上并扩散到纤维中被截留。替代地，可通过辊“浸轧”工艺施加涂料。
正在这个背景下，出现了基于本发明的新工业设备，用于仅将所需的涂料精确地分配到纺织品基材上，而无需施加过量涂料。通过仅分配所需的涂料量，所公开的方法消除或减少了洗涤过程，从而能够实现使该行业的可持续发展状况呈现飞跃般的变化。本领域已知的数字分配工艺，即数字喷墨印刷，不能以足够高的流量和足够高的液滴速度分配流体以分别在工业生吞吐量水平下操作并将涂料递送至3D基材的内部结构。
本发明的设备是工业打印头，该工业打印头适用于通过数控定量配给系统将诸如涂料等流体施加至2D或3D基材，例如纺织品和织物，其优点在于打印头可以在纺织品基材的吸收涂料的容量范围内递送涂料。因此，本公开的设备可以用于减少对浸浴和从纺织品上洗涤过量涂料的需求。
纸板通常用涂料图案化以提供阻隔性能、可印刷性并用于装饰。目前使用模拟印刷技术或喷涂来施加这些涂料。
作为本发明主题的打印头能够数字地图案化一系列不能用于常规数字喷墨打印头的中低粘度涂料。这使得能够仅在需要时精确地施加涂料功能。例如，在防水纸箱板的情况下，涂料可以仅施加至箱子的外表面。在用于数字印刷的预处理情况下，涂料可以仅施加至待印刷区域。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于分配流体的打印头，该打印头包括：至少一个腔室；压电致动式流道分配器的阵列，其封闭在至少一个腔室中；多孔分配板；以及空气分配元件，其包括压缩空气源和构造为引导空气流的空气流控制器。
通过提供具有压电致动式流道分配器的阵列的打印头，消除了传统涂布方法中需要使用涂布流体浴的要求。相反，流体的雾化微滴可以以受控速度直接分配到材料上。
空气分配元件可以用于通过例如将液滴偏转至涂布不足区域(undercoatedregions)，或通过干燥空中的过大液滴来改善分配微滴的均匀性。空气流还兼作打印头的集成冷却系统。
压电致动式流道分配器可以由处理器控制，并且处理器可以构造为独立地控制每个压电致动式流道分配器。流道分配器由处理器控制并且在必要时可以彼此独立地控制各个流道分配器，这允许精确控制流体沉积量以匹配材料的吸收容量。这可以进一步实现即时流体转换、切换分配的流体类型并实现在单次染色过程中产生多组分材料，以及自动在线校正在材料中检测到的任何不均匀缺陷的可能性。例如，如果检测到涂布不足的流体区域，则可以增加从分配器分配的流体量。
空气分配元件可以构造为对着流道分配器的分配末端引导空气流。对着流道分配器末端引导空气流可以降低打印头中可能阻塞或降低分配的流体均匀性的积聚流体液滴的已知问题的风险。
在一些实施例中，空气分配元件可以构造为对着至少两个流道分配器的至少一个分配末端引导单个空气流。对着两个流道分配器末端引导单个空气流可以使所需空气分配元件的数量减少高达一半，从而减少打印头维护，减少所需的压缩空气，并且提供整体更便宜的解决方案和更均匀的打印头，
空气分配元件可以构造为基本上平行于从流道分配器分配的流体来流引导空气流，从而以受控方式偏转分配的流体。基本上平行于流体流引导空气流允许引导流体液滴形成均匀且更精确地被引导的液滴分布。此外，利用空气流偏转分配的流体可以有利地控制流体在材料上的扩展面积，从而允许实时、通用地控制流体到纺织品的施加。
空气分配元件可以构造为以1Hz至1000Hz范围内的频率周期性地施加空气流。喷涂的周期性偏转可以用于增加相邻喷嘴之间的平均距离(averaging)，并提高整个流道分配器的阵列上分配的流体的均匀性。
被分配气体可以包括压缩空气和/或可以是压缩空气。可替代地或另外，被分配气体可以包括诸如氦气或氮气等惰性气体，或者诸如氨气等活性气体。被分配气体可以包括多种气体成分。
腔室或每个腔室可以填充有具有已知成分和流轮廓的流体，使得腔室中存在受控压力，该受控压力可以是负压或正压。用良好表征的流体填充包含打印头内部部件的腔室可以减少流体从流道分配器喷嘴的不期望蒸发和滴落，并且有助于密封腔室免受外部污染。此外，受控压力可以有助于保持来自流道分配器的一致流量。
打印头还可以包括密封层，密封层构造为阻止流体流通过多孔分配板的孔。
流道分配器的末端可以构造为与密封层的开口接触并突出穿过该开口，并且还可以构造为在被压电致动时以最小摩擦或机械阻力相对于密封层移动。
密封层可以为封闭在腔室中的打印头部件提供额外保护，并减少分配的流体的不期望泄漏。通过使流道分配器的喷嘴末端突出穿过密封层同时与密封层接触，允许密封层起作用而不会抑制分配的流体的实际过程。
密封层可以是包括多个开口的粘弹性膜，该膜覆盖多孔分配板的每个孔。此外，膜的每个下述开口的直径可以小于流道分配器的末端的直径：流道分配器构造为突出穿过该开口。这可以允许通过喷嘴末端和膜之间的紧密接触来密封打印头，同时对压电移动的机械干扰最小。
在一些实施例中，密封层的每个下述开口的直径可以大于流道分配器末端的直径：流道分配器构造为突出穿过该开口。密封层与(一个或多个)分配器之间略微宽松的密封可以防止改变或调整分配器的共振频率。
可替代地或另外，密封层可以为分配器提供阻尼。在一些实施例中，这种阻尼可能是不期望的。例如，在使用中，分配器元件可以振动并产生驻波，其中，驻波可以包括至少一个波节和至少一个波腹。因此，密封层可以位于波节的位置处或基本上位于波节的位置附近，其中，波节是驻波系统中振动幅度为零的点。这样做可以减小或甚至消除密封件对波节振动的阻尼效应。这确保了分配器元件的分配特性能够保持最佳。
在一些实施例中，由密封层提供阻尼是期望的，并且流道分配器构造为突出穿过的开口的直径可以构造为向分配器提供期望的阻尼量，以实现预先指定的共振频率。
密封层可以由非润湿弹性体或设置有非润湿涂料的弹性体构成。密封层可以由疏水材料组成和/或可以包括疏水涂料。
在一些实施例中，密封层可由金属或合金构成。金属或合金可以包括钢和/或铝。在一些实施例中，密封层可包括涂料层。涂料层可以包括聚四氟乙烯。
金属或合金密封层可以包括密封层和分配器元件之间的小间隙。在此类实施例中，可以对打印头加压，从而产生从打印头内部流至打印头外部的流体流。流体流可以是连续的，基本上平行于分配器元件，并且可以构造为防止污染物进入打印头，因为这将需要污染物逆着流体流的方向移动。
可替代地或另外，多孔分配板和/或流道分配器的末端可以设置有非润湿涂料和/或可以使用疏水材料和/或疏水涂料制造。
疏水材料和/或涂料可以包括硅酮和/或聚四氟乙烯。
非润湿和/或疏水材料和/或涂料可以防止水性流体通过密封件、在密封件中或密封件周围积聚。
通过给定流道分配器的流量可以由给定流分配器的占空比(duty cycle)来控制。
由打印头分配的流体速度可以由处理器确定的电压控制。
处理器可以构造为基于数字图像控制分配的流体的扩展。
可以基于处理器接收到的实时反馈控制压电致动式流道分配器。实时反馈可以包括以下至少一个：涂布重量检测；颜色检测；流量检测；喷嘴共振频率；以及各喷嘴电驱动要求。
在一些实施例中，压电致动式流道分配器可以相对于待分配的流体的基材是水平的。在一些实施例中，压电致动式流道分配器可以相对于待分配的流体的基材是倾斜的，以防止流体芯吸到喷嘴密封区域中。
在一些实施例中，流道分配器可以相对于水平方向倾斜多达90度、60度、45度、30度、25度、20度、15度、10度或5度。在一些实施例中，流道分配器可以不倾斜。例如，流道分配器可以在0度至60度之间倾斜，更优选在5度至45度之间倾斜，并且最优选在10度至30度之间倾斜。
在一些实施例中，通道分配器元件基本上位于箱的基底下方。这可以有助于确保分配器元件内的流体流出分配器并且不会堵塞或阻挡流体路径。
打印头可以相对于基材以往复运动的方式移动，以将分配的流体分布在大面积上。可以至少部分地基于处理器接收到的实时反馈来控制运动。
实时反馈可以基于整个基材上的颜色检测。
打印头内可以存在增加的空气压力，导致沿从至少一个腔室内部朝流道分配器末端的方向流动的空气流。
打印头还可以包括封闭流道分配器的末端的附加腔室。
打印头还可以包括冷却机制，其中，冷却机制可以包括可操作地连接至打印头的壳体。壳体可以构造为包括诸如水或空气等流体，其中，流体构造为吸收来自打印头的热量，进而冷却打印头。在一些实施例中，在多个打印头的情况下，水冷却可以是优选的冷却机制。
可替代地或另外，每个打印头可以包括风扇，风扇构造为使热空气在打印头附近循环/移动，用冷空气代替热空气，进而冷却打印头。在一些实施例中，在单个打印头的情况下，空气冷却可以是优选的冷却机制。
此外，根据本发明，提供了一种用于向多个打印头供应流体的系统，该系统包括：该系统包括：多个箱，其用于容纳待从多个打印头分配的流体；流体供应腔室；传感器，其用于检测流体供应腔室内的流体液位；以及再循环馈送部，其用于控制流体供应腔室与多个箱中每个箱之间的馈送速率和排放速率，其中，流体馈送速率和流体排放速率由处理器至少部分地基于传感器检测到的流体液位确定。
具有到多个打印头的动态、数字可控再循环馈送允许系统总是保持每个箱内足够的流体液位，并使不需要的流体返回主箱，从而减少了废液，保持了恒定的流体流，进而提高了效率。
在一些实施例中，系统可以包括用于容纳待从多个打印头分配的流体的单个箱。
流体供应腔室与多个箱中每个箱之间的馈送速率和排放对于每个箱来说可以是一样的。多个集液箱中各个箱的馈送速率和排放速率保持一致可以使每个箱中的流体液位大致相同，并且因此能够由控制来自单个流体供应腔室的馈送速率和排放速率的单个传感器确定每个箱中的流体液位。通过允许使用单个传感器有效地监测多个集液箱的流体液位，降低了组件的成本和复杂性。
传感器可以是电容传感器，并且系统可以构造为：响应于传感器打开，提高到多个箱中每个箱的馈送速率并降低从多个箱中每个箱的排放速率；并且响应于传感器关闭，降低到多个箱中每个箱的馈送速率并提高从多个箱中每个箱的排放速率。
在一些实施例中，传感器可以构造为测量箱内流体的静压头。在设置有多个箱的实施例中，设置传感器以测量每个箱的静压头。
可替代地或另外，传感器可以是压力传感器，并且系统可以构造为：响应于传感器检测到低压，提高到多个箱中每个箱的馈送速率并降低从多个箱中每个箱的排放速率；以及响应于传感器检测到高压，降低到多个箱中每个箱的馈送速率并提高从多个箱中每个箱的排放速率。
至少一个流体流路可以将多个箱中每个箱的入口和出口连接至流体供应腔室，并且每个箱的流体流路径可以具有相同阻力。
每个箱的出口可以位于比每个箱的入口更高的高度，并且可以基于堰(weir)的原理形成每个箱的最大流体液位。
多个箱中的每个箱还可以包括位于箱入口附近的真空泄放阀，真空泄放阀可以构造为在箱中的压力超过预定极限的情况下提供低阻力流路。通过使用靠近流体供应的真空泄放阀，可以稳定集液箱压力，真空泄放阀通过允许空气经由低阻力路径从顶部空间逸出，进而允许由箱流体高度快速增加而引起的过压最小化。
系统还可以包括至少一个真空泵，真空泵可以构造为控制多个箱中每个箱内的压力。可以利用施加至顶部空间的真空来设定集液箱压力。由于从打印头分配流体对箱内的流体压力非常敏感，所以流体的精确分配高度依赖于稳定的集液箱压力。
多个箱中的每个箱还可以包括可调节分隔件，可调节分隔件构造为基于堰的原理来控制相应箱中的流体液位。
多个箱中每个箱的流体出口可以是可调节的，并且构造为通过调节排出流体的液位来控制相应箱中的流体液位。
系统的压力控制可以是闭环，每次调节的延迟时间小于1秒。
系统还可以构造为加热和/或搅拌流体。
系统还可以构造为对该流体进行脱气和/或过滤。
该系统可以包括泵，泵用于在每个箱内再循环流体。
系统还可以包括红外加热器，红外加热器构造为使流体迁移最小化并使纺织品上分配的流体的均匀性最大化。
系统还可以包括真空泵，真空泵构造为控制空气流渗透到纺织品中。真空泵可以可操作地连接至通道，其中，通道基本上位于打印头下方。更具体地，通道可以基本上位于纺织品下方，构造为容纳从打印头分配的流体。
可以借助真空泵对通道施加负压，并且通道可以构造为从分配器元件附近抽吸空气，使空气穿过纺织品并进入通道。这样做可以进一步减少从打印头分配的流体的扩展和/或可以增加对流体渗透到纺织品中的控制。
系统还可以包括位于通道和纺织品之间的过滤器，过滤器构造为防止流体和/或污染物进入通道。过滤器可以是一次性的和/或可移除的。一旦移除，可以清洗过滤器并重新使用。添加防止流体和/或污染物进入通道的过滤器还将防止流体和/或污染物进入真空泵，从而降低了系统的维护要求。
根据本发明，还提供了一种填充、再填充和/或排出至少一个箱中的流体的方法。填充和/或再填充箱的方法可以包括以下步骤中的至少一个：从供应箱馈送打印头，对箱施加负压以防止流体从分配器元件滴落，用诸如墨等期望流体将箱填充至目标液位；在箱中建立再循环；以及降低箱中的负压以完全填充分配器元件，确保不在喷嘴处形成悬垂液滴。
排空箱的方法可以包括以下步骤中的至少一个：对箱施加负压以防止流体从分配器元件滴落；关闭进入箱的流体供应；以及使用回流泵从箱排出至供应箱。
排空箱的方法还可以包括向箱中添加清洁剂组合物并重复前述步骤的步骤。清洁剂组合物可以是水和十二烷基硫酸钠。添加清洁剂组合物确保了将箱中的任何剩余流体稀释并随后从箱排出。该步骤可以重复多次，直到通过检查从喷嘴输出的流体，确定箱是干净的。
在一些实施例中，可以对箱施加负压，使得分配器元件中的流体被完全抽回到箱中。
在一些实施例中，箱的内表面可以用诸如聚四氟乙烯等疏水材料涂布。疏水涂料使得流体能够更容易地从箱排出。此外，这种涂料降低了因需要在排放和再填充之间清洁箱而产生的维护成本。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例方式进一步描述本发明，其中：
图1A示出了根据本发明的打印头的示例；
图1B、图1C和图1D示出了根据本发明的打印头的另一示例的等轴视图和侧视图；
图2A示出了示例性压电致动式流道分配器的阵列和多孔分配板的俯视图，压电致动式流道分配器阵列和多孔分配板形成图1中任一打印头的一部分；
图2B示出了分配流体的示例性压电致动式流道分配器的侧视图；
图3A示出了对着压电致动式流道分配器的末端引导空气流的空气分配元件的示例性构造的侧视图；
图3B示出了空气分配元件对示例性液滴扩展的影响的图示；
图4示出了空气分配元件的空气流控制器的示例性构造；
图5A示出了与流道分配器接触的密封层的示例性构造的侧视图；
图5B示出了包括多个开口的示例性密封层部件的俯视图；
图6示出了封闭压电致动式流道分配器的腔室的一种可能构造，其中，围绕流道分配器的末端设置有附加腔室，用于控制分配器末端周围的空气流和气体成分；
图7示出了将流体供应至打印头(诸如图1中的任一打印头)的系统；
图8A和图8B示出了通过可调节堰控制每个集液箱中的流体液位和弯液面压力(meniscus pressure)的实施例；
图9A和图9B示出了每个集液箱的出口均可调节的实施例；并且
图10示出了根据本发明的系统的数字部件的框图。
具体实施方式
为了进一步解释本公开的各个方面，现在将结合附图详细描述本公开的具体实施例。
参照图1A、图1B、图1C和图1D，示出了打印头10的两个示例。图1A所示的示例是紧凑打印头10，具有48个压电致动式流道分配器14的中度阵列，提供121mm的打印宽度。图1B、图1C和图1D是1.8m宽的打印头的侧视图和等轴视图，该打印头包括细长腔室12和封闭在腔室12中的720个压电致动式流道分配器14的大阵列。压电致动式流道分配器14例如是适于引导流体流的中空针的形式。图1A至图1D所示的两个示例包括相同的关键特征，并且以下描述同等地适用于每个示例。
打印头10还包括多孔分配板16，压电致动式流道分配器14的末端构造为突出穿过该多孔分配板。如图2A所示，流道分配器14的末端是适合分配流体的喷嘴形式。
有利地，提供压电致动式流道分配器14的阵列消除了传统涂布方法中需要包含过量涂料的流体浴的需求。相反，本公开的设备构造为以受控速度将雾化的流体微滴直接分配到诸如纺织品或织物等基材材料上。
图1A和图1B、图1C和图1D中每一个所示的打印头10还包括空气分配元件18，空气分配元件18包括压缩空气源20和空气流控制器22，空气流控制器22构造为用于引导空气流21。
空气分配元件18可以用于通过控制液滴扩展并使液滴偏转到涂布不足区域，或者替代地施加空气流21以干燥空中的过大液滴，从而提高在基材上分配的微滴的均匀性。
从空气分配元件18分配的空气流21可以同时用作集成的冷却系统，以防止打印头10过热。
图1A至图1D中还示出了箱34，下文中称为“集液箱”。集液箱34构造为用于保持待从打印头10分配的流体。在图1A所示的示例中，箱保持100ml至2.5l的待分配的流体。
现在参见图2A，图中更详细地示出流道分配器14的阵列的示例性构造。
在所示构造中，中空针形式的流道分配器14的长度基本上垂直于分配流体的方向，其中，针的喷嘴末端突出穿过多孔分配板16的孔28。
流道分配器14构造为响应垂直压电致动器(未示出)的致动而分配流体。
特别地，在致动时，每个流道分配器14沿基本上垂直于流道长度的方向分配非常小的或雾化的流体液滴。
图中未示出压电致动器，但在一个实施例中，流道可以由与流道分配器的针接触的多个压电致动器致动。例如，可以设置垂直于流道附接的两个压电致动器，从而能够垂直于沉积有流体的基材的方向控制流道。
流道和致动器的构造能够实现分辨率控制的若干要素：垂直于阵列中的各个喷嘴的基材行进方向的固定偏移；垂直于基材行进方向的振荡以及分配的流体的沉积宽度。
在一些实施例中，包括图8中示意性示出的实施例，压电致动元件14的阵列由处理器50(例如微处理器)操作。处理器50构造为独立地控制每个压电致动式流道分配器，从而操作各个分配器以分配更少或更多的流体或以不同的频率分配流体。
流道分配器14由处理器50控制并且在必要时可以彼此独立地控制各个流道分配器，这允许精确控制流体沉积量以匹配所确定的材料的吸收容量。这还实现了即时流体转换、切换分配到基材材料上的流体类型，并进而实现在单次涂布过程中产生多组分材料。
此外，如果检测到分配至基材材料上的流体均匀性存在缺陷，则上述构造允许自动在线(in-line)校正这种不均匀性。例如，如果检测到涂布不足的流体区域，则可以增加从分配器分配的流体量。
尽管压电致动式流道分配器14的阵列图示为长度均匀的单排直针状分配器，但本文也设想了阵列的其它构造。例如，阵列可以包括多排分配器，或不同长度的分配器。流道分配器14可以是弯曲的，或者相对于彼此成不同角度。
图2B示出单个流道分配器14的侧视图，该流道分配器具有上面关于图2A描述的构造。此外，图中示出来自空气分配元件18的空气流21被施加至流道分配器14的喷嘴。在一些实施例中，空气流21基本上平行于分配流体的行进方向。
现在参见图3A，图中示出打印头10的空气分配元件18构造为对着流道分配器14的阵列的分配末端引导空气流21。空气流21的方向基本上垂直于流道分配器14的长度，并且基本上平行于分配流体的行进方向。
这样，空气分配元件18使从流道分配器14分配的流体的液滴偏转，以控制分配的流体的液滴在分配有流体的基材上的扩展轮廓。
图3B示出了示例性液滴扩展轮廓，图中示出在没有从空气分配元件18施加空气流21的情况下液滴轮廓50的形状，以及在从空气分配元件18施加空气流21的情况下液滴轮廓52的形状。
有利地，控制液滴轮廓和扩展使得能够以更高的分辨率分配流体。空气流21的速度可以由空气流控制器22控制，以实现所需的分辨率，并且可以使用空气流偏转并进而引导分配的流体。
此外，对着流道分配器末端引导空气流21减少了分配诸如墨等其它类型流体的打印头中已知问题的风险，其中分配的流体积聚在分配元件的喷嘴末端上并阻塞喷嘴或降低分配的流体的均匀性。
利用空气流21来偏转分配的流体并因此控制流体在材料上的扩展面积的能力还允许实时、通用地控制流体施加至纺织品上。
在一些实施例中，空气分配元件18的空气流控制器22构造为使空气流21周期性地施加至分配液滴。例如，空气流控制器可以使空气流以1Hz至1000Hz的频率分配。
喷涂的周期性偏转可以用于增加相邻喷嘴之间的平均距离(averaging)，并提高整个流道分配器的阵列上分配的流体的均匀性。
在一些实施例中，空气流在2PSI至10PSI或14kPa至69kPa范围内的压力下和在每分钟1立方英尺至100立方英尺或0.00047m3s-1至0.047m3s-1的流速下驱动。
现在参见图4，图中更详细地示出用于引导空气流21的空气分配元件18的示例性构造。
如图所示，空气分配元件被封闭在壳体中，该壳体设计为从压缩空气源20汇集并引导空气流。壳体构造为越靠近来自压缩空气源20的供应越宽，并且在壳体中的空气分配点处越来越窄。这种构造使得能够高速且高分辨率地分配空气流21。
空气流控制器22可以采取壳体内部的阀的形式，用于控制是否分配空气。空气流控制器22由处理器数字地控制。例如，空气流控制器可以由处理器50控制。
现在参见图5，描述了本公开的另一方面，其中，打印头10还包括密封层26，密封层26构造为阻止流体流通过多孔分配板16的孔28。
密封层26构造有多个开口30，每个开口构造为与多孔分配板16的孔28对准，流道分配器14的阵列末端突出穿过孔28。密封层26的每个下述开口30的直径小于流道分配器14的末端的直径：流道分配器突出穿过该开口30，使得突出末端放置为与密封层26的开口30的边缘紧密接触，从而有效密封打印头10的腔室12。
在示例性实施例中，密封层26是由诸如硅树脂或含氟聚合物等粘弹性材料构成的多孔板。密封层26可以是例如粘弹性膜。密封层的孔直径通常比流道分配器14的末端直径小大约10％。例如，外径为900微米的流道分配针应当由直径为800微米的开口密封。
上述构造有效地将流体密封在腔室12内，同时在流道分配器14被致动时，使得流道分配器14能够以最小摩擦或机械阻力相对于密封层移动。因此，本公开的密封层不抑制流体的分配。
在一些实施例中，密封层26由非润湿弹性体或设置有非润湿涂料31的弹性体构成。可选地，多孔分配板16和流道分配器14的末端还设置有非润湿涂料。密封层和非润湿涂料为封闭在腔室中的部件提供了额外保护，并且减少了分配的流体的不期望泄漏。
非润湿涂料选自以下材料中的任意一种：疏水性聚合物，诸如：聚对二甲苯、含氟聚合物、聚烯烃、聚酰亚胺。在一些实施例中，本文描述的抗湿、低粘附表面涂料是反应物混合物的反应产物。反应混合物可以由至少一种三异氰酸酯和包含乙氧基化间隔基的全氟聚醚二醇化合物组成。在一些实施例中，合适的三异氰酸酯以名称或/>获得，例如/>N3300、/>N3790，可从Bayer MaterialsScience获得。
现在参见图6，图中示出封闭压电致动式流道分配器14的腔室12的示例性构造，其中，腔室12包括附加腔室24，附加腔室24封闭流道分配器14的末端，并且用于提供对分配器末端周围的空气流和气体成分的更高程度的控制。
例如，附加腔室可以填充有具有已知成分和流轮廓的流体，使得腔室中存在-100mmH2O至1000mmH2O或-980帕斯卡至9800帕斯卡范围内的受控压力。在一些实施例中，向腔室12施加相同或不同的受控压力。
用公知的流体填充包含打印头10的内部部件的腔室12减少了流体从流道分配器14的喷嘴的不期望蒸发或滴落，并且有助于密封腔室12以防止外部污染。此外，受控压力有助于保持来自流道分配器14的一致流量。
参见图7，现在将描述用于为多个打印头供应流体的系统32。例如，待供应流体的打印头与前述打印头10相同。
系统32包括与多个打印头10中的每个打印头对应的多个集液箱34，使得每个集液箱34包含将由每个相应打印头10分配的流体。系统32还包括：流体供应腔室38，其用于向多个箱34中的每一个供应流体；以及传感器36，其用于检测流体供应腔室中的流体液位。
系统32还包括数控再循环馈送部40，用于控制流体供应腔室38与多个箱34中每个箱之间的馈送速率和排放速率，其中，流体馈送速率和流体排放速率由处理器至少部分地基于传感器36检测到的流体液位确定。
每个集液箱34包括：入口42，其用于接收来自再循环馈送部的流体；以及出口44，流体通过出口44由再循环馈送部40排出并汇集回流体供应腔室38。
系统32的上述方面提供了动态的数字可控系统，该系统能够总是保持每个集液箱34中足够的流体液位，并使不需要或未使用的流体返回流体供应腔室38。这减少了废液，保持了恒定的流体流以减少堵塞风险，并且提高了效率。
此外，在一些实施例中，流体供应腔室38与多个集液箱34中每个箱之间的馈送速率和排放对于每个箱来说是一样的，并且流体供应腔室38与每个集液箱34之间的流体流路具有相同阻力，从而保持流入和流出每个集液箱34的基本上均匀的流体流。
多个集液箱34中各个箱的馈送速率和排放速率保持基本上一致使每个箱中的流体液位大致相同，并且因此能够由控制来自单个流体供应腔室38的馈送速率和排放速率单个传感器确定每个箱中的流体液位。通过允许单个传感器36有效地监测并保持多个集液箱流体液位，这种构造降低了组件的成本和复杂性。
因此，在上述构造中，响应于传感器36检测到流体液位已经达到流体供应腔室38中的特定点之上，系统构造为提高到多个箱34中每个箱的馈送速率并降低从多个箱34中每个箱的排放速率。类似地，响应于传感器检测到流体供应腔室38中的流体液位已经低于特定点，系统32构造为降低到多个箱34中每个箱的馈送速率并提高从多个箱中每个箱的排放速率。
在一些实施例中，上述构造使得流体供应腔室38中流体液位的周期性波动变化小于1mm，并且将箱压力保持在+/-0.5mm的范围内。
流体供应箱中的液位由馈入和馈出泵保持。
在一些实施例中，传感器是具有+/-0.25mm的开/关电平变化的电容传感器。馈入泵编程为当液位传感器关闭时，使流量增加至高于馈出泵，从而提高箱液位，并且当液位传感器打开时，反向操作，从而降低箱液位。
在一些实施例中，每个集液箱34的流体出口位于比每个箱34的入口42更高的高度，并且在流体意外过量供应的情况下为每个箱形成最大流体液位。
在一些实施例中，多个箱34中的每一个还包括位于箱入口42附近的真空泄放阀46。真空泄放阀构造为在箱34中的压力超过预定极限的情况下提供低阻力流路。系统32的这个方面通过允许空气经由低阻力路径从顶部空间逸出，使由箱流体高度迅速增加引起的过压最小化，从而可以确保集液箱压力稳定。
从打印头分配流体对箱内的流体压力非常敏感，在分配流体时观察到2mmH2O或20Pa以上的波动。因此，流体的精确分配高度依赖于稳定的集液箱压力。
因此，在一些实施例中，系统还包括至少一个真空泵48，真空泵构造为控制多个集液箱34中每个箱顶部空间内的压力。真空泵可以是高频压电空气泵，以最小化压力的周期性波动。
现在参见图8A、图8B、图9A和图9B，将更详细地描述集液箱34和再循环馈送部40的示例性构造。
图8A和图8B示出了通过可调节堰45控制多个集液箱34中每个箱中的流体液位和弯液面压力的实施例。特别地，每个集液箱34构造有：流体入口42，其用于从上方将流体馈送至箱的第一部分中；以及可旋转、可收缩或以其它方式可调节的堰，其用于将箱的第一部分与第二部分隔开，其中，流体出口44位于箱34的第二部分的壁的下部。
在这种构造中，旋转、收缩或以其它方式调节可调节堰45的高度将允许通过改变箱的第一部分中的流体溢过堰进入箱的第二部分并通过流体出口44排出的高度，控制箱中的流体液位。这种构造消除了对真空泵的需求。
图8A中示出了闭合构造下的集液箱34。图8B中示出了打开构造下的集液箱34。图8B的打开构造能够简化箱的清洁和维护。
尽管所示实施例显示了流体入口42竖直地位于箱上方，并且流体出口44位于后壁的下部，但流体入口和流体出口均能够位于集液箱上方或其任何侧壁上的其它构造也是可能的。
图9A和图9B示出了用于控制流体液位和弯液面压力的替代集液箱构造。
在图9A和图9B的实施例中，作为可调节堰的替代，流体出口44本身是可调节的。例如，在所示实施例中，流体入口42和流体出口44均竖直地位于集液箱34上方，其中，流体出口44是可收缩的或以其它方式可调节的，使得其到达集液箱34中的高度是可控制的。因此，流体出口44向下到达箱中的高度可以用于控制箱34中的液位。
图9A中示出了闭合构造下的集液箱34。图9B中示出了打开构造下的集液箱34。图9B的打开构造能够简化箱的清洁和维护。
现在参见图10，将更详细地描述本发明元件的数字控制。
如上所述，压电致动式流道分配器14的阵列由处理器50单独且独立地控制。类似地，来自空气分配元件18的空气流21由空气流控制器22调节，空气流控制器22由处理器数字地控制，该处理器可以是处理器50或其它不同的处理器。此外，传感器36和再循环馈送部40均与处理器通信，该处理器基于来自传感器36的读数确定前述馈送速率和排放速率。控制处理器可以是处理器50或其它不同的处理器。
在所示实施例中，同一处理器50与压电致动式流道分配器14的阵列、空气流控制器22、传感器36和再循环馈送部40通信并控制这些部件。
在一个示例性实施例中，处理器50与微控制器、片上系统或单板计算机对应。处理器50包括易失性存储器、非易失性存储器和接口。在某些其它实施例中，处理器50可以包括多个易失性存储器、非易失性存储器和/或接口。经由总线或其它形式的互连使易失性存储器、非易失性存储器和接口彼此通信。处理器50执行例如一个或多个计算机程序的计算机可读指令来控制本文描述的系统的某些方面。计算机可读指令存储在非易失性存储器中。处理器50由可以包括电池的电源提供电力。

Claims (14)

1.一种用于分配流体的打印头(10)，所述打印头包括：
至少一个腔室(12)；
压电致动式流道分配器(14)的阵列，其封闭在所述至少一个腔室中；
多孔分配板(16)；以及
空气分配元件(18)，其包括压缩空气源(20)和构造为引导空气流的空气流控制器(22)，
其特征在于，
所述打印头还包括密封层(26)，所述密封层构造为阻止流体流通过所述多孔分配板的孔(28)；
所述压电致动式流道分配器(14)的喷嘴末端构造为突出穿过所述多孔分配板，并且构造为与所述密封层的开口接触并突出穿过所述密封层的开口；以及
所述腔室或每个腔室填充有具有已知成分和流轮廓的流体，使得所述腔室中存在受控压力，所述受控压力能够是负压或正压。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述空气分配元件构造为对着所述流道分配器的分配末端引导空气流。
3.根据权利要求2所述的打印头，其中，所述空气分配元件构造为基本上平行于从所述流道分配器分配的流体流来引导所述空气流，从而以受控方式偏转分配的流体。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的打印头，其中，所述空气分配元件构造为以1Hz至1000Hz范围内的频率周期性地施加所述空气流。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的打印头，其中，所述密封层由非润湿弹性体或设置有非润湿涂料的弹性体构成。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的打印头，其中，所述多孔分配板和/或所述流道分配器的末端设置有非润湿涂料。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的打印头，其中，通过给定流道分配器的流量由所述给定流道分配器的占空比来控制。
8.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述压电致动式流道分配器由处理器(50)控制，并且所述处理器构造为独立地控制每个压电致动式流道分配器。
9.根据权利要求8所述的打印头，其中，由所述打印头分配的流体速度由所述处理器确定的电压控制。
10.根据权利要求8或9所述的打印头，其中，基于所述处理器接收到的实时反馈来控制所述压电致动式流道分配器，所述实时反馈包括以下至少一个：
a.涂布重量检测；
b.颜色检测；
c.流量检测；
d.喷嘴共振频率；以及
e.各喷嘴电驱动要求。
11.根据权利要求1至3、8至9中任意一项所述的打印头，其中，所述压电致动式流道分配器相对于待分配的流体的基材是倾斜的，以防止流体芯吸到喷嘴密封区域中。
12.一种用于向根据权利要求1所述多个打印头供应流体的系统(32)，所述系统包括:
多个箱(34)，其用于容纳待从根据权利要求1所述的多个打印头分配的流体；
流体供应腔室(38)；
传感器(36)，其用于检测所述流体供应腔室内的流体液位；以及
数控再循环馈送部(40)，其用于控制所述流体供应腔室与所述多个箱中每个箱之间的馈送速率和排放速率，其中，所述流体馈送速率和所述流体排放速率由处理器至少部分地基于所述传感器检测到的流体液位确定。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，每个箱(34)包括：入口(42)，所述入口(42)用于接收来自所述再循环馈送部的流体；以及出口(44)，流体通过所述出口(44)由所述再循环馈送部(40)排出并汇集回所述流体供应腔室(38)，其中
每个箱(34)的所述流体出口位于比每个箱(34)的所述入口(42)更高的高度，并且在流体意外过量供应的情况下形成每个箱的最大流体液位。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中，所述多个箱中的每个箱还包括可调节分隔件，所述可调节分隔件构造为基于堰的原理来控制相应箱中的流体液位。
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