CN115195107B - 高粘度热熔体电流体动力学喷印设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高粘度热熔体电流体动力学喷印设备及控制方法，其包括机座、Y向移动机构及安装机架，Y向移动机构上设有喷印平台，所述安装机架上设有喷印机构，所述喷印机构设有喷印管道，所述喷印管道的上端与容腔连通，所述喷印管道内设有可轴向移动的针芯，喷印管道的外侧设有加热器，所述容腔的上端设有压力机构，所述容腔的上端设有操作机构，针芯上端穿过所述容腔与操作机构联动设置。在气压的作用下，带动高粘度热熔体沿着针芯圆柱表面平稳下流趋势，高粘度热熔体在高压电场力作用下产生极化热熔体，通过环形间隙，沿着针芯下端的锥形表面形成稳定的射流，从而避免高粘度热熔堵塞喷头，有效提高高粘度热熔体喷印图案的质量。

Description

高粘度热熔体电流体动力学喷印设备及控制方法

技术领域

本发明属于电流体动力学喷印技术领域，具体涉及一种高粘度热熔体电流体动力学喷印设备及控制方法。

背景技术

熔融沉积技术是一种典型的增材制造技术，它是一种将各种热熔性的丝状材料加热熔化，通过挤压式喷头，将熔融体喷射沉积在衬底上固化成型的技术。传统的熔融沉积技术采用挤压方式进行结构成型，由于分辨率受到限制难以实现沉积微结构图案。

为了提高熔融沉积图案的分辨率，拓展熔融沉积技术在微结构成型方面的应用，采用电流体动力学喷印技术对熔融材料进行喷印成型，其工作原理：热熔喷头连接高压电源正极，基板连接高压电源的负极，热熔体在电场力作用力的驱动下形成更细的射流，运动平台按照预定路径进行运动从而形成熔体微结构图案。该技术在生物医疗、组织工程、能源、光学、新材料、柔性电子等领域具有广阔的应用前景。针对高粘度的热熔体，由于热熔体的粘度较大，在热熔体电流体动力学喷印过程中，容易堵塞热熔体喷头，从而影响热熔体电流体动力学喷印微结构图案的质量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高粘度热熔体电流体动力学喷印设备及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高粘度热熔体电流体动力学喷印设备，其包括机座、设置在机座上的Y向移动机构以及设置在机座上的安装机架，所述Y向移动机构上设有喷印平台，所述安装机架上设有X向移动机构，所述X向移动机构上设有Z向移动机构，在所述Z向移动机构上设有喷印机构，所述喷印机构设有喷印管道，所述喷印管道的上端与用于放置固体打印颗粒的容腔连通，所述喷印管道内设有可轴向移动的针芯，所述喷印管道的外侧设有加热器，所述容腔的上端设有用于提供压力的压力机构，所述容腔的上端设有操作机构，所述针芯上端穿过所述容腔与操作机构联动设置，所述针芯可在操作机构的控制下轴向移动设置，且其具有与喷印管道的内径配合实现闭合状态的第一状态及向上移动与喷印管道的内径之间形成开口的第二状态，所述喷印管道与所述喷印平台分别与高压电源的正负两极连接，在两者之间形成电场力，进而实现热熔体电流体动力学喷印。

所述操作机构包括用于带动针芯轴向移动的轴向操作机构和用于带动针芯周向旋转的旋转操作机构。

所述针芯底部设有锥形突出结构，所述锥形突出结构插入所述喷印管道并封闭所述喷印管道内径。

所述针芯的周向设有搅拌叶片。

所述喷印机构的一侧设有机器视觉装置，其另一侧设有光源装置。

所述加热器包裹喷印管道设置。

所述压力机构包括压缩空气机，所述压缩空气机与容腔之间设有用于调节压力的调压阀。

一种基于上述高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、将适量的待喷印材料的固体颗粒装入高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的容腔内，把待制备热熔体喷印微结构的衬底固定在喷印平台上；

步骤二、对高粘度热熔体电流体动力学喷印设备进行初始化处理；

步骤三、确定预期喷印热熔体图案宽度的热熔电流体喷印的工艺参数；

步骤四、以获得的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数值设定为热熔体电流体动力学喷印工艺参数，通过调用待喷印热熔体图案的数据文件或图像文件，确定喷印路径，按照工艺参数生成高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令；

步骤五、调用生成的高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令，根据设定的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数，按照规划的喷印路径，进行高粘度热熔体电流体动力学图案喷印，

步骤三中包括以下步骤：

a)以喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度为工艺参数，喷印热熔体微结构图案的宽度为响应值，采用六因素五水平的正交试验法，通过喷印实验构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数代理模型的正交试验样本数据；

b)以所构建的正交试验样本数据的工艺参数为自变量，以喷印热熔体微结构图案的宽度为因变量，构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型f(x)，x为自变量，x＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T；x₁为喷印电压变量，x₂为喷印高度变量，x₃为喷印速度变量，x₄为喷印气压变量，x₅为喷印温度变量，x₆为旋转速度变量；

c)根据所构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，以预期喷印的热熔体微结构图案的宽度为目标，构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为：

min g(x)＝|f(x)-w|

式中，g(x)为热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数，f(x)为热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，w为预期喷印的热熔体微结构图案的宽度；

d)以构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为优化目标，通过优化算法对热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型进行目标函数值估计；

e)通过热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型和人工蜂群算法或者人工鱼群算法组合的优化方法获得目标函数的优化值，输出最优目标函数值对应的工艺参数值，从而获得预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数。

步骤d)中的优化算法为人工蜂群算法或者人工鱼群算法。

所述工艺参数包括喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度或旋转速度。

本发明的有益效果：通过高粘度热熔体电流体动力学喷印设备，采用无喷头的喷印机构，在气压的作用下，利用带有搅拌叶片的针芯的旋转，带动高粘度热熔体沿着针芯圆柱表面平稳下流趋势，高粘度热熔体在高压电场力作用下产生极化，通过喷印机构下端孔的内径与针芯外径之间的环形间隙，极化的热熔体在电场作用下沿着针芯下端的锥形表面形成稳定的射流，从而避免高粘度热熔堵塞喷头，影响高粘度热熔体喷印图案的质量，通过高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，采用优化方法确定预期喷印热熔体图案宽度的热熔电流体喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度等工艺参数，实现预期喷印热熔体图案宽度的高粘度热熔体图案的电流体动力学喷印，有效提高高粘度热熔体电流体动力学喷印图案的质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为喷印机构的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种高粘度热熔体电流体动力学喷印设备，其包括机座1、设置在机座1上的Y向移动机构2以及设置在机座上的安装机架5，所述Y向移动机构2上设有喷印平台4，所述安装机架5上设有X向移动机构，所述X向移动机构上设有Z向移动机构，在所述Z向移动机构上设有喷印机构6，所述喷印机构6设有喷印管道，所述喷印管道上端与用于放置固体打印颗粒的容腔连通，所述喷印管道内设有可轴向移动的针芯8，所述喷头的外侧设有加热器12，所述容腔的上端设有用于提供压力的压力机构3，所述容腔9的上端设有操作机构7，所述操作机构包括用于带动针芯轴向移动的轴向操作机构和用于带动针芯周向旋转的旋转操作机构，所述针芯上端穿过所述容腔通过联轴器与旋转操作机构进行联动设置，所述针芯8上端穿过所述容腔与操作机构7联动设置，所述针芯可在轴向操作机构的控制下轴向移动设置，且其具有与锥尖14配合实现闭合状态的第一状态及向上移动与锥尖之间形成环形间隙的第二状态。针芯的底部具有一锥形突出结构，其插入所述锥尖并封闭所述锥尖，而当其在操作机构的带动下上下移动时，向上移动时可以打开该锥尖，让液体流出，而向下移动时则可封住该锥尖，停止打印。

而喷印管道与喷印平台分别与高压电源的正负两极连接，在两者之间形成电场力，进而实现热熔体电流体动力学喷印。

通过高粘度热熔体电流体动力学喷印设备，采用无喷头的喷印机构，在气压的作用下，利用旋转操作机构控制带有搅拌叶片的针芯的旋转，带动高粘度热熔体沿着针芯圆柱表面平稳下流趋势，高粘度热熔体在高压电场力作用下产生极化，通过喷印机构下端锥尖的孔的内径与针芯外径之间的环形间隙，极化的热熔体在电场作用下沿着针芯下端的锥形表面形成稳定的射流，从而避免高粘度热熔体堵塞喷头，有效提高高粘度热熔体电流体动力学喷印图案的质量。

压力机构采用压缩空气机，其通过调压阀与容腔连通，通过调压阀调节压力大小，利用内部气压的变动来将固体材料向下压，并使得其进入到具有加热功能的喷印管道内，利用该热量熔融固体材料形成喷印热熔体，并在气压作用下使喷印热熔体具有向下流动的趋势。

所述针芯与所述旋转操作机构构成周向旋转配合，利用针芯的转动设置，可以对喷印热熔体进行搅拌，加速其轴向流动，而优选的在所述针芯的周向设置搅拌叶片，进一步提高加速喷印热熔体流动的效果。

所述喷印机构的一侧设有机器视觉装置11，其另一侧设有光源装置10，可以实时监控喷印热熔体喷印射流形状，便于后续控制需求。

所述加热器12包裹喷头设置，该加热器与加热控制器电连接，且加热器可以是加热丝，缠绕设置在喷印管道外侧，其作用是利用其产生的热量将进入喷印管道的固体材料熔融形成喷印热熔体。

所述操作机构包括轴向操作机构和旋转操作机构，所述旋转操作机构设置在所述轴向操作机构上，所述轴向操作机构包括丝杆及与丝杆构成螺纹配合的旋转机构，该旋转机构可沿丝杆轴向带动旋转操作机构移动，所述旋转操作机构包括直流电机和联轴器，所述直流电机轴与联轴器一端联动设置，联轴器的另一端与针芯联动设置，该旋转机构可带动与其连接的针芯旋转。

本发明还提供了一种基于上述高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、打开高粘度热熔体电流体动力学喷印设备，设备显示正常状态时，将适量的待喷印材料的固体颗粒装入喷印机构的容腔内，把待制备热熔体喷印微结构的衬底固定在喷印平台上，为进行热熔体电流体动力学喷印微结构做好准备；

步骤二、打开高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制系统，进行初始化设置，设置初始喷印电压、初始喷印高度、初始喷印速度、初始喷印气压、初始喷印温度和初始旋转速度等工艺参数，另外，还需要设置喷印热熔体微结构图案的层数和待喷印热熔体微结构图案的起始位置等信息；

步骤三、确定预期喷印热熔体图案宽度的热熔电流体喷印的工艺参数，工艺参数包括喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度等工艺参数，其步骤如下；

a)以喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度为工艺参数，喷印热熔体微结构图案的宽度为响应值，采用六因素五水平的正交试验法，通过喷印实验构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数代理模型的正交试验样本数据；

b)根据所构建的正交试验样本数据和响应值，建立以喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度等工艺参数为自变量，以喷印热熔体微结构图案的宽度为因变量，采用支持向量回归法、克里金模型、径向基函数和多项式响应面法等模型中的一种模型构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型f(x)，x为自变量，x＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T；x₁为喷印电压变量，x₂为喷印高度变量，x₃为喷印速度变量，x₄为喷印气压变量，x₅为喷印温度变量，x₆为旋转速度变量；

c)根据所构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，以预期喷印的热熔体微结构图案的宽度为目标，构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为：

min g(x)＝|f(x)-w|

式中，g(x)为热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数，f(x)为热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，w为预期喷印的热熔体微结构图案的宽度；

d)采用人工蜂群算法或者人工鱼群算法等优化算法，以构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为优化目标，通过对所构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型进行估计目标函数值；

e)通过热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型和人工蜂群算法或者人工鱼群算法组合的优化方法获得目标函数的优化值，输出最优目标函数值对应的工艺参数值，从而获得预期喷印的热熔体微结构图案宽度的喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度等工艺参数。

步骤四、以获得的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度等工艺参数值设定为热熔体电流体动力学喷印工艺参数，通过控制系统调用待喷印热熔体图案的数据文件或图像文件，确定喷印路径，按照喷印工艺参数生成高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令；

步骤五、通过控制系统的高粘度热熔体电流体动力学图案喷印模块，调用生成的高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令，根据设定的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数，按照规划的喷印路径，进行高粘度热熔体电流体动力学图案喷印。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，所述高粘度热熔体电流体动力学喷印设备包括机座、设置在机座上的Y向移动机构以及设置在机座上的安装机架，所述Y向移动机构上设有喷印平台，所述安装机架上设有X向移动机构，所述X向移动机构上设有Z向移动机构，在所述Z向移动机构上设有喷印机构，所述喷印机构设有喷印管道，所述喷印管道的上端与用于放置固体打印颗粒的容腔连通，所述喷印管道内设有可轴向移动的针芯，所述喷印管道的外侧设有加热器，所述容腔的上端设有用于提供压力的压力机构，所述容腔的上端设有操作机构，所述针芯上端穿过所述容腔与操作机构联动设置，所述针芯可在操作机构的控制下轴向移动设置，且其具有与喷印管道的内径配合实现闭合状态的第一状态及向上移动与喷印管道的内径之间形成开口的第二状态，所述喷印管道与所述喷印平台分别与高压电源的正负两极连接，在两者之间形成电场力，进而实现热熔体电流体动力学喷印，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤一、将适量的待喷印材料的固体颗粒装入高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的容腔内，把待制备热熔体喷印微结构的衬底固定在喷印平台上；

步骤二、对高粘度热熔体电流体动力学喷印设备进行初始化处理；

步骤三、确定预期喷印热熔体图案宽度的热熔电流体喷印的工艺参数；

步骤四、以获得的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数值设定为热熔体电流体动力学喷印工艺参数，通过调用待喷印热熔体图案的数据文件或图像文件，确定喷印路径，按照工艺参数生成高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令；

步骤五、调用生成的高粘度热熔体电流体动力学喷印数控指令，根据设定的预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数，按照规划的喷印路径，进行高粘度热熔体电流体动力学图案喷印，

步骤三中包括以下步骤：

a）以喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度和旋转速度为工艺参数，喷印热熔体微结构图案的宽度为响应值，采用六因素五水平的正交试验法，通过喷印实验构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数代理模型的正交试验样本数据；

b）以所构建的正交试验样本数据的工艺参数为自变量，以喷印热熔体微结构图案的宽度为因变量，构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型

，x为自变量，

；x ₁为喷印电压变量，x ₂为喷印高度变量，x ₃为喷印速度变量，x ₄为喷印气压变量，x ₅为喷印温度变量，x ₆为旋转速度变量；

c）根据所构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，以预期喷印的热熔体微结构图案的宽度为目标，构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为：

式中，

为热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数，/>

为热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型，/>

为预期喷印的热熔体微结构图案的宽度；

d）以构建热熔体电流体动力学喷印工艺参数优化目标函数为优化目标，通过优化算法对热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型进行目标函数值估计；

e）通过热熔体电流体动力学喷印工艺参数的代理模型和人工蜂群算法或者人工鱼群算法组合的优化方法获得目标函数的优化值，输出最优目标函数值对应的工艺参数值，从而获得预期喷印的热熔体微结构图案宽度的工艺参数。

2.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：步骤d）中的优化算法为人工蜂群算法或者人工鱼群算法。

3.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述工艺参数包括喷印电压、喷印高度、喷印速度、喷印气压、喷印温度或旋转速度。

4.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述操作机构包括用于带动针芯轴向移动的轴向操作机构和用于带动针芯周向旋转的旋转操作机构。

5.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述针芯底部设有锥形突出结构，所述锥形突出结构插入所述喷印管道并封闭所述喷印管道内径。

6.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述针芯的周向设有搅拌叶片。

7.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述喷印机构的一侧设有机器视觉装置，其另一侧设有光源装置。

8.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述加热器包裹喷印管道设置。

9.根据权利要求1所述的基于高粘度热熔体电流体动力学喷印设备的控制方法，其特征在于：所述压力机构包括压缩空气机，所述压缩空气机与容腔之间设有用于调节压力的调压阀。

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