CN114734626A - 一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进制造技术领域，提供一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置及方法，诱导流变电流体喷印装置包括进给模块、高压诱导模块、运动模块和控制模块。进给模块使功能液体从喷头喷出；高压诱导模块可在细化射流、提高三维结构分辨率的同时实现对其的诱导变形；运动模块可调节三维结构与诱导电极的相对位置；控制模块对打印和诱导变形过程进行控制，并通过摄像机观察三维结构和诱导电极的相对位置及结构变形情况；改变诱导电极的距离、数量、电压等参数可诱导产生不同的三维复杂结构。本发明能够解决当前微纳尺度的三维复杂结构难以加工的问题，具有结构简单、操作方便、加工效率高等优点，在微纳加工、微机电系统等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置及方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是在机械工程、微电子工程、材料科学等多个学科的基础上发展起来的新兴技术。它通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，在生物医学、消费电子、航空航天等领域有广阔的应用前景。随着相关研究的深入，MEMS技术向着微型化、智能化、集成化、高灵敏、低能耗、低成本的方向不断发展。与此同时，微纳结构的应用也在由平面结构逐渐向空间拓展，这对三维微纳结构的制造提出了更高的要求。
现有的三维微纳结构的加工方法主要有光刻技术、喷墨打印技术、光固化成型技术、微挤出直写技术等。光刻技术加工精度高，但存在加工材料单一和成本较高的问题，且只能加工准三维结构；喷墨打印技术打印速度快、材料选择范围广，但喷头结构复杂，且精度较低；光固化成型技术成本低、成型精度高，但材料选择范围狭窄；微挤出直写技术工艺周期短、不需要模板，但微结构的致密性较差。因此，现有技术在成本、生产效率等方面还难以完全满足工业上的需求。
电流体喷射打印技术基于电流体动力学(EHD)，是一种非接触式的微液滴喷射成形沉积技术，可直接在衬底上实现一维和二维微纳结构的打印，在成本、效率、可控性等方面优势明显。在现有技术的基础上进一步改进，即可实现复杂三维微纳结构的制造。
发明内容
为解决光刻、喷墨打印等微纳加工技术的不足，基于电流体动力效应，提出一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置及方法。利用电喷射打印技术制造三维线形结构，待其初步固化后通过诱导电极产生电场力诱导其变形，可解决当前微纳尺度的三维复杂结构难以加工的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，该装置包括进给模块、高压诱导模块、运动模块和控制模块；所述进给模块包括注射泵、注射器、连接管、连接件、喷头；所述高压诱导模块包括固定板、安装板、调节块和诱导电极；所述运动模块包括三维结构、载物台、支撑柱、x运动平台、y运动平台、z运动平台；所述控制模块包括计算机、多路高压电源、运动控制柜和摄像机。
所述注射泵上安装有注射器，连接管与注射器相连；在注射泵的推动下，功能液体通过连接管和连接件，从喷头喷出；所述固定板通过螺栓Ⅰ安装在z运动平台上，连接件安装在固定板上；喷头通电后，喷头与载物台之间形成电场，液体射流在电场力的作用下得到细化，在载物台上逐步固化成为三维线形结构，电场力还对三维线形结构起保持作用；安装板通过螺栓Ⅱ安装在固定板上，调节块均匀布置在安装板上；所述载物台接地，通过支撑柱安装在x运动平台上，支撑柱用于调节载物台的水平度及高度，x运动平台安装在y运动平台上方，通过计算机对运动模块进行控制，实现三自由度的平动；所述多路高压电源、运动控制柜、摄像机均与计算机相连；计算机通过多路高压电源控制电路通断和电压大小，通过运动控制柜控制三个运动平台的运动速度和距离，通过摄像机观察三维线形结构和诱导电极的相对位置及结构变形情况。
进一步的，所述喷头的材料为导体，其通过连接件与连接管相连，其内径为0.5-500μm；三维结构与喷头的距离为l1，0.01mm≤l1≤5mm；所述调节块的材料为绝缘体，如聚合物或陶瓷等，调节块设置有电极安装孔，可对诱导电极进行固定，相邻两个电极安装孔的距离为a；所述诱导电极的材料为导体，其安装在调节块上，可以实现对三维结构的诱导变形，其中诱导电极与三维结构的距离为l2，0.01mm≤l2≤5mm；所述多路高压电源可提供的电压范围为0-30kV，其与喷头、诱导电极相连，电压分别为u1和u2。
进一步的，所述功能液体的进给速度为0.01-5μL/min；所述三维线形结构的分辨率为50nm-10μm；所述三个运动平台的速度范围为0.01-50mm/s，运动行程0.02-30mm，可以实现诱导电极与载物台之间的相对位置控制。
一种诱导流变电流体喷印三维结构的方法，该方法通过调整诱导电极的个数、电极之间的角度以及a、l1、l2、u1、u2等参数，可以诱导不同的三维结构；具体如下：
当诱导电极仅在一侧施加电场，电极数为1，诱导电极的电压u2与喷头的电压u1相同、诱导电极与三维线形结构的距离l2小于喷头与三维线形结构的距离l1，或诱导电极的电压u2大于喷头的电压u1时，三维线形结构被诱导形成三维复杂结构Ⅰ，三维复杂结构Ⅰ的角度β与诱导电极和喷头间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极在两侧同时施加电场，电极数为1，诱导电极的电压u2与喷头的电压u1相同、诱导电极与三维线形结构的距离l2小于喷头与三维线形结构的距离l1，或诱导电极的电压u2大于喷头的电压u1时，三维线形结构被诱导形成三维复杂结构Ⅱ，三维复杂结构Ⅱ的角度γ与诱导电极和喷头间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极在两侧同时施加电场，电极数为2且不再在一个水平面上，诱导电极的电压u2与喷头的电压u1相同、诱导电极与三维线形结构的距离l2小于喷头与三维线形结构的距离l1，或诱导电极的电压u2大于喷头的电压u1时，三维线形结构被诱导形成三维复杂结构Ⅲ，三维复杂结构Ⅲ的角度与诱导电极和喷头间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极在两侧同时施加电场，电极数为3且不再在一个水平面上，诱导电极的电压u2与喷头的电压u1相同、诱导电极与三维线形结构的距离l2小于喷头与三维线形结构的距离l1，或诱导电极的电压u2大于喷头的电压u1时，三维线形结构被诱导形成三维复杂结构Ⅳ，三维复杂结构Ⅳ的角度与诱导电极和喷头间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极数为4，每个电极安装位置逆时针以距离a逐个上升时，三维线形结构可被诱导形成三维复杂结构Ⅴ，三维复杂结构Ⅴ的外径与诱导电极和喷头间的距离差和电压差成正比，诱导电极间的垂直距离a决定了三维复杂结构Ⅴ的节距，增加诱导电极的数量可以增加三维复杂结构Ⅴ的圈数。
工作原理：本发明由进给模块、高压诱导模块、运动模块和控制模块组成，通过多路高压电源控制电路通断和电压大小，通过运动控制柜驱动运动平台移动，使诱导电极与三维线形结构到达诱导变形的合适位置，通过摄像机观察诱导电极、喷头与三维线形结构的相对位置及结构变形情况。在喷头上施加电压，功能液体从喷头喷出后，在电场力的作用下得到细化，逐步固化成三维线形结构，电场力还对三维线形结构起保持作用，防止其在外力干扰下发生弯折。诱导电极接高压电源后，三维线形结构在电场力作用下发生弯曲逐渐形成三维复杂结构，其形状和角度与诱导电极的电压大小、距离和数量有关。
本发明的有益效果为：本发明采用诱导流变电流体喷印技术打印三维结构，待其初步固化后通过控制诱导电极的数量和位置、电压等参数使线形结构变形成为符合要求的三维螺旋结构，可解决当前三维线形结构由于尺寸、精度等问题难以加工形成三维结构的问题，具有操作简单、精度高、成型快、适用范围广等优点。
附图说明
图1所示为本发明提出的诱导流变电流体喷印三维结构的装置示意图；
图2所示为本发明提出的电流体喷印三维线形结构的装置局部示意图；
图3所示为本发明提出的电流体喷印三维线形结构的装置俯视图；
图4所示为本发明提出的电流体喷印三维复杂结构Ⅰ的装置局部示意图；
图5所示为本发明提出的电流体喷印三维复杂结构Ⅱ的装置局部示意图；
图6所示为本发明提出的电流体喷印三维复杂结构Ⅲ的装置局部示意图；
图7所示为本发明提出的电流体喷印三维复杂结构Ⅳ的装置局部示意图；
图8所示为本发明提出的电流体喷印三维复杂结构Ⅴ的装置局部示意图。
图中：1注射泵、2注射器、3连接管、4连接件、5喷头、6固定板、7螺栓Ⅰ、8螺栓Ⅱ、9安装板、10调节块、11诱导电极、12三维结构、13载物台、14支撑柱、15x运动平台、16y运动平台、17z运动平台；18计算机、多路高压电源19、20运动控制柜、21摄像机。
10-1电极安装孔、12-1三维线形结构、12-2三维复杂结构Ⅰ、12-3三维复杂结构Ⅱ、12-5三维复杂结构Ⅳ、12-4三维复杂结构Ⅲ、12-6三维复杂结构Ⅴ。
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。
一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置包括进给模块、高压诱导模块、运动模块和控制模块。所述进给模块包括注射泵1、注射器2、连接管3、连接件4、喷头5；高压诱导模块包括固定板6、螺栓Ⅰ7、螺栓Ⅱ8、安装板9、调节块10和诱导电极11；所述运动模块包括三维结构12、载物台13、支撑柱14、x运动平台15、y运动平台16、z运动平台17；所述控制模块包括计算机18、多路高压电源19、运动控制柜20和摄像机21。
所述注射泵1上安装有注射器2，连接管3与注射器2相连，喷头5的材料为导体，其通过连接件4与连接管3相连，其内径为100μm；功能液体在注射器2内，在注射泵1的推动下，以0.1μL/min的速度通过连接管3和连接件4，从喷头5喷出；所述固定板6通过螺栓Ⅰ7安装在z运动平台17上，连接件4安装在固定板6上；喷头5通电后，喷头5与载物台13之间形成电场，从喷头5喷出的射流在电场力的作用下得到细化，在载物台13上逐步固化成分辨率1μm的三维线形结构12-1，电场力还对三维线形结构12-1起保持作用，三维线形结构12-1与喷头5的距离为l1；安装板9通过螺栓Ⅱ8安装在固定板6上，调节块10均匀布置在安装板9上，调节块10的材料为绝缘体，如聚合物或陶瓷等，调节块10设置有电极安装孔10-1，可对诱导电极11进行固定，相邻两个电极安装孔的距离为0.5mm；诱导电极11的材料为导体，其安装在调节块10上，可以实现对三维线形结构12-1的诱导变形，其中诱导电极11与三维线形结构12-1的距离为l2；所述载物台13接地，通过支撑柱14安装在x运动平台15上，支撑柱14用于调节载物台13的水平度及高度，x运动平台15安装在y运动平台16上，通过运动模块可以实现三自由度的平动；所述三个运动平台的速度均为1mm/s，可以实现诱导电极11与载物台13之间的相对位置控制；所述多路高压电源19、运动控制柜20、摄像机21与计算机18相连，多路高压电源19与喷头5、诱导电极11相连，电压分别为u1和u2；计算机18可以通过多路高压电源19控制电路通断和电压大小，通过运动控制柜20控制三个运动平台的运动速度和距离，通过摄像机21观察三维线形结构12-1和诱导电极11的相对位置及结构变形情况。
一种诱导流变电流体喷印三维结构的方法，通过调整诱导电极的个数、电极之间的角度以及l1、l2、u1、u2等参数，可以诱导不同的三维结构；具体如下：
当诱导电极11仅在一侧施加电场，电极数为1，诱导电极11的电压与喷头5的电压均为2kV、诱导电极11与三维线形结构12-1的距离1mm小于喷头5与三维线形结构12-1的距离2mm，或诱导电极11的电压3kV大于喷头5的电压2kV时，三维线形结构12-1被诱导形成三维复杂结构Ⅰ12-2；
当诱导电极11在两侧同时施加电场，电极数为1，诱导电极11的电压与喷头5的电压均为2kV、诱导电极11与三维线形结构12-1的距离1mm小于喷头5与三维线形结构12-1的距离2mm，或诱导电极11的电压3kV大于喷头5的电压2kV时，三维线形结构12-1被诱导形成三维复杂结构Ⅱ12-3；
当诱导电极11在两侧同时施加电场，电极数为2且不再在一个水平面上，诱导电极11的电压与喷头5的电压均为2kV、诱导电极11与三维线形结构12-1的距离1mm小于喷头5与三维线形结构12-1的距离2mm，或诱导电极11的电压3kV大于喷头5的电压2kV时，三维线形结构12-1被诱导形成三维复杂结构Ⅲ12-4；
当诱导电极11在两侧同时施加电场，电极数为3且不再在一个水平面上，诱导电极11的电压与喷头5的电压均为2kV、诱导电极11与三维线形结构12-1的距离1mm小于喷头5与三维线形结构12-1的距离2mm，或诱导电极11的电压3kV大于喷头5的电压2kV时，三维线形结构12-1被诱导形成三维复杂结构Ⅳ12-5；
当诱导电极数为4，每个电极安装位置逆时针逐个上升0.5mm时，三维线形结构12-1可被诱导形成三维复杂结构Ⅴ12-6，三维复杂结构Ⅴ12-6的外径为100μm，其节距即为诱导电极间的垂直距离0.5mm。
综合以上所述内容，本发明提供了一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置及方法，解决了当前微纳尺度的三维复杂结构难以加工的问题，具有结构简单、操作方便、加工效率高等优点，在微纳加工、微机电系统等领域有广泛的应用前景。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述的诱导流变电流体喷印装置包括进给模块、高压诱导模块、运动模块和控制模块；所述进给模块包括注射泵(1)、注射器(2)、连接管(3)、连接件(4)、喷头(5)；所述高压诱导模块包括固定板(6)、安装板(9)、调节块(10)和诱导电极(11)；所述运动模块包括三维结构(12)、载物台(13)、支撑柱(14)、x运动平台(15)、y运动平台(16)、z运动平台(17)；所述控制模块包括计算机(18)、多路高压电源(19)、运动控制柜(20)和摄像机(21)；其中，诱导电极(11)为导体，喷头(5)为导体，调节块(10)为绝缘体；
所述的注射泵(1)上安装注射器(2)，连接管(3)与注射器(2)相连；在注射泵(1)的推动下，功能液体通过连接管(3)和连接件(4)，从喷头(5)喷出；所述固定板(6)安装在z运动平台(17)上，连接件(4)安装在固定板(6)上；喷头(5)通电后，喷头(5)与载物台(13)之间形成电场，液体射流在电场力的作用下得到细化，在载物台(13)上逐步固化成为三维线形结构(12-1)，电场力还对三维线形结构(12-1)起保持作用；安装板(9)安装在固定板(6)上，调节块(10)均匀布置在安装板(9)上；所述载物台(13)接地，通过支撑柱(14)安装在x运动平台(15)上，支撑柱(14)用于调节载物台(13)的水平度及高度，x运动平台(15)安装在y运动平台(16)上方，通过计算机(18)对运动模块进行控制，实现三自由度的平动；所述多路高压电源(19)、运动控制柜(20)、摄像机(21)均与计算机(18)相连；多路高压电源(19)与喷头(5)、诱导电极(11)相连，计算机(18)通过多路高压电源(19)控制电路通断和电压大小，通过运动控制柜(20)控制三个运动平台的运动速度和距离，通过摄像机(21)观察三维线形结构(12-1)和诱导电极(11)的相对位置及结构变形情况。
2.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述喷头(5)内径为0.5-500μm；三维结构(12)与喷头(5)的距离为l1，0.01mm≤l1≤5mm。
3.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述调节块(10)上设置有电极安装孔(10-1)，对诱导电极(11)进行固定，相邻两个电极安装孔的距离为a。
4.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述诱导电极(11)安装在调节块(10)上，可以实现对三维结构(12)的诱导变形，其中诱导电极(11)与三维结构(12)的距离为l2，0.01mm≤l2≤5mm。
5.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述多路高压电源(19)可提供的电压范围为0-30kV，其与喷头(5)、诱导电极(11)相连，电压分别为u1和u2。
6.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述功能液体的进给速度为0.01-5μL/min。
7.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述三维结构(12)的分辨率为50nm-10μm。
8.根据权利要求1所述的一种三维结构的诱导流变电流体喷印装置，其特征在于：所述x运动平台(15)、y运动平台(16)和z运动平台(17)的速度范围为0.01-50mm/s，运动行程0.02-30mm，可以实现诱导电极(11)与载物台(13)之间的相对位置控制。
9.一种基于权利要求1-8任一所述装置实现的诱导流变电流体喷印三维结构的方法，其特征在于，通过调整诱导电极的个数、电极之间的角度以及a、l1、l2、u1、u2参数，可以诱导不同的三维结构，具体如下：
当诱导电极(11)仅在一侧施加电场，电极数为1，诱导电极(11)的电压u2与喷头(5)的电压u1相同、诱导电极(11)与三维线形结构(12-1)的距离l2小于喷头(5)与三维线形结构(12-1)的距离l1，或诱导电极(11)的电压u2大于喷头(5)的电压u1时，三维线形结构(12-1)被诱导形成三维复杂结构Ⅰ(12-2)，三维复杂结构Ⅰ(12-2)的角度β与诱导电极(11)和喷头(5)间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极(11)在两侧同时施加电场，电极数为1，诱导电极(11)的电压u2与喷头(5)的电压u1相同、诱导电极(11)与三维线形结构(12-1)的距离l2小于喷头(5)与三维线形结构(12-1)的距离l1，或诱导电极(11)的电压u2大于喷头(5)的电压u1时，三维线形结构(12-1)被诱导形成三维复杂结构Ⅱ(12-3)，三维复杂结构Ⅱ(12-3)的角度γ与诱导电极(11)和喷头(5)间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极(11)在两侧同时施加电场，电极数为2且不再在一个水平面上，诱导电极(11)的电压u2与喷头(5)的电压u1相同、诱导电极(11)与三维线形结构(12-1)的距离l2小于喷头(5)与三维线形结构(12-1)的距离l1，或诱导电极(11)的电压u2大于喷头(5)的电压u1时，三维线形结构(12-1)被诱导形成三维复杂结构Ⅲ(12-4)，三维复杂结构Ⅲ(12-4)的角度与诱导电极(11)和喷头(5)间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极(11)在两侧同时施加电场，电极数为3且不再在一个水平面上，诱导电极(11)的电压u2与喷头(5)的电压u1相同、诱导电极(11)与三维线形结构(12-1)的距离l2小于喷头(5)与三维线形结构(12-1)的距离l1，或诱导电极(11)的电压u2大于喷头(5)的电压u1时，三维线形结构(12-1)被诱导形成三维复杂结构Ⅳ(12-5)，三维复杂结构Ⅳ(12-5)的角度与诱导电极(11)和喷头(5)间的距离差和电压差成正比；
当诱导电极数为4，每个电极安装位置逆时针以距离a逐个上升时，三维线形结构(12-1)可被诱导形成三维复杂结构Ⅴ(12-6)，三维复杂结构Ⅴ(12-6)的外径与诱导电极(11)和喷头(5)间的距离差和电压差成正比，诱导电极间的垂直距离a决定三维复杂结构Ⅴ(12-6)的节距，增加诱导电极的数量可以增加三维复杂结构Ⅴ(12-6)的圈数。
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