CN114904674B - 一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于镀膜相关技术领域，其公开了一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置。所述装置包括机械臂、通电螺线管、墨盒以及喷头，其中：通电螺线管连接于机械臂的端部，墨盒连接于所述通电螺线管的端部，喷头连接于墨盒的端部，墨盒为所述喷头供墨；所述墨盒包括多个同轴容腔，每一同轴容腔对应一进墨口以及至少一个出墨口，同一同轴容腔的出墨口对应多个喷头，进而同一同轴容腔对应多个喷头；同一同轴容腔对应的多个喷头出墨端设置导电基板，以对喷头中的墨水进行加电。本申请可以实现纳米尺寸量级液滴在大面积复杂曲面上均匀高效镀膜。

Description

一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置

技术领域

本发明属于镀膜相关技术领域，更具体地，涉及一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置。

背景技术

在表面加工、涂层领域，常常要用到真空蒸镀、真空磁控、喷涂雾化的方法，实现大面积制备薄膜的工艺。真空蒸镀和真空磁控要求精密的仪器设备，严格的真空环境，不适应于大面积复杂曲面的镀膜。喷涂雾化工艺可以实现低成本高效率的镀膜，利用喷雾方法镀膜首先要求雾化液滴的尺寸在纳米量级，并且雾化液滴之间尺寸一致性好，针对曲面基底，在不同位置上应该尽可能保证喷嘴与基底之间的间距保持一致，使雾化液滴在曲面基底上均匀沉积以确保镀膜厚度的均匀性。常用的雾化方法主要有压力雾化、超声雾化、静电雾化等，压力雾化借助于高压或离心力，将墨液分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装的方法；超声喷雾则是利用超声波打击液体，使得水柱边缘产生雾气，采用载气将雾气输送至基板上的涂装技术。以上两种方式都依靠较大的气流将分散后的雾滴携带到被涂物表面，针对不同粘度的喷涂物该过程将会严重影响到雾化量、雾化液滴尺寸和雾化形状的一致性，产生诸如起粒、垂流等问题，最终影响到成膜的质量。静电雾化则可以解决以上两种雾化方法气流所带来的问题。静电雾化则通过在喷雾位置施加高电压，使喷嘴处的墨液聚焦大量电荷，墨液在电场力作用下突破表面张力发生射流，随后由于液滴之间的静电排斥效应进一步破碎分散成更细小的液滴，最终形成喷雾，并沉积在目标基底上。利用静电喷雾原理在大面积曲面基底上镀膜的关键就是解决喷涂过程中喷嘴与曲面基底之间间距一致性，喷涂镀膜的均匀性以及提高镀膜效率的问题。

现有的机械臂喷涂中需要依靠外接机械泵从物料箱中抽取物料实现在特定表面上的喷涂，中国专利CN2007101777169公开了一种电喷雾装置，液体输送装置将液体输送到雾化装置，在雾化装置处施加高电压将液体雾化，借助送风装置产生的气流促使液滴飞行到更远的距离，该装置虽然原理上是利用静电喷雾原理解决了压力喷雾存在的喷头容易堵塞、液滴难雾化等问题，但为保证液滴更远距离传输借助了气流的作用，而针对与镀膜工艺而言，在液滴运动方向气流的引入极可能会引起液滴沉积的均匀性，导致挂壁、垂流等现象的发生，进而影响成膜质量，并且单喷头很难提高喷涂效率。中国专利CN2016110881955公开了一种横笛状多孔喷头的高压电喷雾装置，虽然采用了多喷头可以用于提高液滴沉积效率，但只能实现在平面上沉积，不能在任意指定曲面上实现沉积，并且由于多喷嘴施加同种极性电压，产生的多个喷雾之间携带同种电荷，在电场的作用下相邻喷头的射流会出现“八”字形排斥弯曲，导致喷涂区域分布不均匀，无法保证喷涂的质量。中国专利CN10738392A提出在圆筒状密封沉积腔中设置强磁场，通过强磁场调控薄膜沉积速度以及均匀性，虽然采用了磁场调控带电液滴，但其结构是基于一个封闭圆筒设计，沉积台也位于封闭圆筒之内，这样对于大型曲面基底沉积而言基于该装置很难实现同时针对复杂曲面基底的喷涂，此方式很难保证薄膜沉积的均匀性。

针对电喷雾原理在镀膜工艺上的应用前景以及存在的问题，亟需开发一种适用于纳米尺寸量级液滴在大面积复杂曲面上均匀高效镀膜的装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置，本申请可以实现纳米尺寸量级液滴在大面积复杂曲面上均匀高效镀膜。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置，所述装置包括机械臂、通电螺线管、墨盒以及喷头，其中：通电螺线管连接于机械臂的端部，墨盒连接于所述通电螺线管的端部，喷头连接于墨盒的端部，墨盒为所述喷头供墨；所述墨盒包括多个同轴容腔，每一同轴容腔对应一进墨口以及至少一个出墨口，同一同轴容腔的出墨口对应多个喷头，进而同一同轴容腔对应多个喷头；同一同轴容腔对应的多个喷头出墨端设置导电基板，以对喷头中的墨水进行加电。

优选地，所述相邻两同轴容腔对应的导电基板所加电性相反。

优选地，同一同轴容腔对应的喷头均匀分布。

优选地，同一同轴容腔对应的导电基板为一个导电块或多个不相连的导电块。

优选地，所述通电螺线管与电压调节单元连接，以调节所述通电螺线管的磁场强度，进而使得所述喷头处于所述通电螺线管的磁场内。

优选地，所述喷头与所述通电螺线管产生的磁感线平行。

优选地，所述墨盒包括供气单元，用于调节墨盒中的压力。

优选地，所述导电基板上施加的电压为2000-10000V。

优选地，所述装置还包括控制单元，用于控制所述机械臂的运行。

优选地，所述装置还包括缓冲容腔，所述缓冲容腔下部连接所述喷头，并将喷头依据对应的同轴容腔进行隔离，缓冲容腔上设有与所述出口配合的顶柱，实现墨水的流出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置具有如下有益效果：

1.本申请的导电基板设置高电压，使得喷嘴处的墨滴受到高压电场的作用形成泰勒锥发生射流，射出的带电墨滴在静电排斥作用下突破液滴表面张力，进而破碎成更细小液滴进行产生纳米级喷雾，微纳级墨液在借助磁场辅助作用，受到洛伦兹力作用使得运动范围更广，进而使得静电喷雾喷涂范围更广，进一步提高喷涂效率。

2.本申请的墨盒可以设置多个同轴容腔，并且设置多个喷头，看叶实现单一墨液多喷嘴同时镀膜，也可以同时多种墨液同时喷雾实现高度混合镀膜，可以根据制膜的功能需求改变工作墨水，显著提高静电喷雾镀膜效率。

3.针对大面积基底的镀膜需求，采取机器人协同的方式，可以根据镀膜位置的需要，灵活的柔性机械臂可以将喷头移动到目标位点，确保喷头与基底的间距具有良好的一致性，实现对曲面基底进行高沉积精度、高效率的大面积均匀雾化制膜。

4.相邻同轴空腔对应的导电基板所加电性相反，避免了同种电荷喷雾产生电场排斥导致喷雾液体出现排斥效应，最终沉积的区域有的地方多，有的地方少不均匀的问题。

5.同一同轴容腔对应的导电基板为一个导电块或多个不相连的导电块，可以根据需要对不同的导电块设置不同的电压，进而控制墨液的运动范围。

6.本申请采用电喷雾原理设计了曲面镀膜喷头，需要喷涂的功能墨液实现了液滴微纳尺度、高度的均匀空间分散，从而实现了一种致密、均匀的曲面镀膜技术，解决了现因雾滴尺度过大导致的墨液垂流、薄厚不均匀、喷墨范围小效率低的问题。

附图说明

图1是本申请实施例磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置的结构示意图；

图2是本申请实施例的墨盒的结构示意图；

图3是本申请实施例的喷头和缓冲容腔的结构示意图；

图4是本申请实施例的喷头和缓冲容腔的剖示图；

图5是本申请实施例在基底上规划路径的示意图；

图6是本申请实施例装置的工作原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-机械臂；2-通电螺线管；3-墨盒；4-多喷头；5-导电基板；6-墨液；7-基底；8，9-电源；10-待喷涂墨液；11-磁场；12-泰勒锥；13-纳米级喷雾；；14，15-进墨口；16-进气口；17-同轴容腔；18，19-出墨口；20-弹簧；21-橡胶垫；22-凹槽；23-缓冲容腔；24-喷头内腔；25-顶柱；26-隔板；27-起始点；28-终止点；29-机械臂运动路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供了一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置，所述装置包括机械臂1、通电螺线管2、墨盒3以及多喷头4，其中：通电螺线管2连接于机械臂1的端部，墨盒3连接于所述通电螺线管2的端部，喷头4连接于墨盒3的端部，墨盒3为所述多喷头4供墨；所述墨盒3包括多个同轴容腔，每一同轴容腔对应一进墨口以及至少一个出墨口，同一同轴容腔的出墨口对应多个喷头，进而同一同轴容腔对应多个喷头；同一同轴容腔对应的多个喷头出墨端设置导电基板5，以对喷头中的墨水进行加电。

进一步的，机械臂1包括机械臂底座以及旋转机械臂，该机械臂1优选为六自由度串联机械臂，通过六个旋转轴的运动，机械臂1末端可在一定范围内到达三维空间的任意指定位置，并通过负反馈调节控制定位精度，由于镀膜工艺的特殊性，机械臂1的定位精度不是关键影响因素，因此不需要对机械臂的定位精度做高的要求，但考虑到机械臂末端需要连接墨盒以及多个喷头，因此需要机械臂具有一定的承载能力。

进一步优选的方案中，所述装置还包括控制单元(图中未示出)，用于控制所述机械臂的运行速度和运行轨迹。

通电螺线管2由铁芯以及缠绕在铁芯外的通电线圈组成，通过调节缠绕线圈的匝数以及通电电流的大小实现磁场大小的改变，产生沿喷头方向的磁场。

所述装置还包括电压调节单元(图中未示出)，所述通电螺线管2与电压调节单元连接，以调节所述通电螺线管的磁场强度，进而使得所述喷头处于所述通电螺线管的磁场内，并可以控制墨液6的喷射范围。

墨盒3连接于通电螺线管2的端部，用于为多喷头4提供墨液，如图2所示，所述墨盒3包括多个同轴容腔17，可以用于充入同种材料墨液或不同材料墨液，实现两种及以上混合溶液电喷雾镀膜。每一同轴容腔对应一进墨口14，15，且每一同轴容腔的底部均设有一个或多个出墨口18，19。所述墨盒包括进气口16，用于调节墨盒中的压力。压力气体可经由进气口进入施加墨液一定的压力确保供墨过程的连续性。

如图3和图4所示，所述装置还包括缓冲容腔23，所述缓冲容腔23下部连接所述多喷头4，并将喷头依据对应的同轴容腔通过隔板26进行隔离，墨盒3底部设有与隔板26对应的凹槽22，用于隔板镶入其中，进而实现不同墨腔的隔离，缓冲容腔23上设有与所述出口配合的顶柱25，实现墨水的流出。

进一步优选的方案中，出墨口包括可在出墨通道中上下移动的橡胶垫21、设于出墨通道中的弹簧20、以及大于出墨口直径设于出墨通道上方的挡板。挡板与橡胶垫通过连杆固定连接。橡胶垫21受到墨液压力保证未与喷头连接时始终处于紧闭状态，保证充墨过程墨液无泄漏，顶柱25确保墨盒在与喷头连接时，顶柱25得以顶起橡胶塞，使得墨液流入缓冲容腔23，进而通过缓冲容腔23底部的喷头内腔24流入多喷头4。

同一同轴容腔对应的多个喷头出墨端设置导电基板，以对喷头中的墨水进行加电。进一步优选的，所述相邻两同轴容腔对应的导电基板所加电性相反。

进一步优选的，同一同轴容腔对应的喷头均匀分布。

进一步优选的，同一同轴容腔对应的导电基板5为一个导电块或多个不相连的导电块。所述导电基板5与电源8，9连接，所述导电基板上施加的电压优选为2000-10000V，进一步优选为5000V。

所述喷头与所述通电螺线管产生的磁感线平行。

工作时给予导电基板高电压，喷嘴处的墨液受到高压电场的作用形成泰勒锥，并由于液滴间强的静电排斥作用突破液滴表面张力，分散破碎成纳米级喷雾。对相邻同轴容腔对应的导电基板设置相反电性，可以将多溶液混合喷涂时进一步使溶液混合更加均匀。

工作过程：

1.根据曲面基底7的形状、尺寸等为机械臂末端执行件进行路径规划。

例如，图5所示的球冠玻璃基底，球半径为120mm，通过三维扫描基底逆向建立曲面基底三维点云模型，并导入至UG软件中，并为选定基底指定生成机械臂末端运动路径，本实施例中机械臂运动路径29如图5所示，其中，起始点27和终止点28，行程长为500mm，行程短边为40mm，变将生成的路径文件导入至机械臂控制单元。

2.根据需求往墨盒中充入同种或不同种材料的待喷涂墨液10，并将墨盒与缓冲容腔、喷头连接好后通过螺纹连接到机械臂末端。

S21：配制3mg/ml IDT-BT有机半导体溶液。取10ml邻二甲苯(Sigma Aldrich，99.999％)作为溶剂，用分析天平称取3mg IDT-BT(Sigma Aldrich)有机半导体材料，溶解在置有磁子的样品瓶中，并在磁力搅拌器上90℃加热3h，转速为300r/min。

S22：配置5mg/ml PS溶液作为介电层。取10ml三氯甲烷(Sigma Aldrich，99.999％)作为溶剂，用分析天平称取5mg PS(Sigma Aldrich)材料，溶解在置有磁子的样品瓶中，并在磁力搅拌器上120℃加热3h，转速为300r/min。

S23：对选取的半球冠玻璃基底进行清洗以及表面改性操作。首先用洗洁精揉搓，并用去离子水、乙醇、丙酮60W功率下超声清洗10min，将洗净的玻璃基底用氮气吹干，随后用氧等离子体刻蚀机对基底表面进行亲水化处理，这里选取的刻蚀参数为氧气流量50sccm，氩气流量3sccm，刻蚀功率150W，刻蚀压强10Pa，刻蚀时间600s。

S24：从所述墨盒顶部的外部进墨口充入所述IDT-BT有机半导体溶液，内部进墨口充入所述配置好的PS溶液；

S25：将填充完IDT-BT半导体溶液和PS溶液的墨盒与缓冲容腔和喷头连接，此时，位于基板中心的顶柱会顶起上面墨盒底部的橡胶垫，墨盒中的IDT-BT半导体溶液和PS溶液会经由底部出墨口流入缓冲容腔的进墨口并进入至喷头容腔中；

3.给予通电螺线管一定的电压，使线圈产生电流使其产生沿喷头方向的磁场11。

螺线管施加40V电压，通电电流大约为10A左右。

4.将供气单元与墨盒顶部连接，给予墨液一定压力的气体保证供墨过程的连续性。

将高压氮气经由软管连接至墨盒的供气单元，并向墨盒中通入的氮气，预设气压为2Mpa，推动IDT-BT半导体溶液以及PS溶液进入喷头中，此时喷嘴处会悬挂有待喷雾溶液液滴。

5.在相邻两同轴容腔对应的导电基板施加极性相反的高电压，使喷嘴处的墨滴受到高压电场的作用形成泰勒锥12发生射流(如图6所示)，喷射出的带电墨滴在静电排斥作用下突破液滴表面张力，进而破碎成更细小液滴进而产生纳米级喷雾13，不同溶液的液滴在磁场的作用运动范围进一步扩大，使不同种溶液在沉积到基板7前混合的更加均匀，提高多溶液喷涂成膜的稳定性和均匀性。

将与正高压电源接通的鳄鱼夹连接到内侧的导电基板上，预设5000V电压，将与负高压电源接通的鳄鱼夹连接到外侧的导电基板上，预设5000V电压，首先在采样基板上进行预喷涂，调节电压以及气压观察电喷雾状态，待达到稳定目标状态后进行正式喷涂，此时操作机器人按照预先规划的路径进行运动对目标基底进行喷涂操作，喷涂完成后，将喷涂有ID-BT半导体和PS溶液的薄膜置于180℃真空条件下进行20min退火操作形成有源层和介电层。至此采用磁场辅助机器人协同电喷雾曲面镀膜技术在曲面基底上一步制备有机薄膜晶体管有源层和介电层薄膜工艺完成。

6.机械臂根据预设的规划路径运动实现在曲面基底上喷涂，并根据材料属性进行后处理操作实现镀膜。

本申请可实现在大面积曲面基底上高效镀膜。依赖于电喷雾原理施加的强电场使得喷嘴处的溶液电离炸裂成小的液滴，小的液滴间因为静电排斥作用进一步分裂为小液滴，该过程反复进行，最终可形成均匀分散的纳米级液滴喷雾。通过引入电磁感应线圈施加一个沿喷头方向的磁场，由于带电液滴受到静电排斥作用速度方向发生改变，产生沿垂直于磁场的分速度，进而产生洛伦兹力，带电液滴受到洛伦兹力的作用会改变运动方向，进一步扩大带电液滴的运动范围，从而使喷涂区域相比于未施加电场时明显增大，提高喷涂效率，同时基于带电液滴运动范围变大实现多溶液混合喷涂时不同种溶液混合更加均匀。而借助机器人高自由度，运动范围广等优势，可以保证在不同位置，喷嘴与曲面基板尽可能保持固定间距，进而保证电喷雾在曲面基底上喷涂镀膜的均匀性。借助多喷头设计，可以更高效率镀膜，并且墨盒采用同轴容腔设计，使得不同喷头可以喷涂不同材料溶液，既可实现单一溶液喷涂镀膜，也可实现多材料溶液混合喷涂镀膜。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁场辅助机器人协同的多喷头电喷雾曲面镀膜装置，其特征在于，所述装置包括机械臂、通电螺线管、墨盒以及喷头，其中：

通电螺线管连接于机械臂的端部，墨盒连接于所述通电螺线管的端部，喷头连接于墨盒的端部，墨盒为所述喷头供墨；

所述墨盒包括多个同轴容腔，每一同轴容腔对应一进墨口以及至少一个出墨口，同一同轴容腔的出墨口对应多个喷头，进而同一同轴容腔对应多个喷头；

同一同轴容腔对应的多个喷头出墨端设置导电基板，以对喷头中的墨水进行加电；

相邻两同轴容腔对应的导电基板所加电性相反；

所述导电基板上施加的电压为2000-10000V；

所述装置还包括缓冲容腔，所述缓冲容腔下部连接所述喷头，并将喷头依据对应的同轴容腔进行隔离，缓冲容腔上设有与所述出墨口配合的顶柱，实现墨水的流出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，同一同轴容腔对应的喷头均匀分布。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，同一同轴容腔对应的导电基板为一个导电块或多个不相连的导电块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通电螺线管与电压调节单元连接，以调节所述通电螺线管的磁场强度，进而使得所述喷头处于所述通电螺线管的磁场内。

5.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于，所述喷头与所述通电螺线管产生的磁感线平行。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述墨盒包括供气单元，用于调节墨盒中的压力。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制单元，用于控制所述机械臂的运行。