CN115972770A - 一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法及喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法及喷射装置，属于喷墨打印技术领域。喷射装置包括电流体喷头、高压电源、激光器模块以及控制模块。电流体喷头由墨盒、喷孔板和喷嘴组成。高压电源用于提供高压电，形成电场驱动力，将溶液喷出。激光器模块产生激光，用于调控溶液弯液面的温度。控制模块控制高压电源和激光器的开闭。本发明通过使用激光诱导的方式对喷嘴尖端的弯液面的温度进行调控，通过温度的变化改变弯液面尖端溶液的表面张力系数，实现电场力与表面张力之间的调节，进而控制各个喷嘴的独立喷射。如此，本发明无需改变喷嘴结构，即可实现各个喷嘴的独立喷射，具有喷嘴结构简单、便于维护的优点。

Description

一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法及喷射装置

技术领域

本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法及喷射装置。

背景技术

喷墨打印作为一种无掩模、增材制造技术，具有材料利用率高、成本低的特点，在很多工业制造领域都有较好的应用前景，如印刷显示、柔性电子等。目前压电/热泡等传统喷印技术，主要以压电喷印和热泡喷印为代表，使用挤压力为驱动力，通过压电陶瓷振动或热气泡的膨胀挤压，将液滴从喷孔挤出。使用挤压力作为驱动力，使得喷印对墨水粘度十分敏感，并且挤压出的墨滴一般大于喷孔的直径，存在打印分辨率低(>20μm)、墨水黏度范围窄(1-20cP)等不足，难以满足多种材料和更高分辨率的喷印需求。电流体喷印在喷嘴和基材之间施加高电压，利用电场力克服表面张力，将墨水“拉”出喷嘴，产生细小液滴。电流体喷印具有超高的分辨率、广泛的墨水(1～10000cP)兼容性和多种喷射模式，具有广阔的应用前景。

阵列化电流体喷头是实现电流体喷墨打印工业化的关键。目前，阵列化电流体喷头的独立可控喷射都是通过外接电极环实现的，但由于喷嘴的不对称性，多个喷嘴和基板之间的电场会产生畸变，射流易偏斜到外接的电极环上，使喷孔故障。此外，因为电极的半径应该比喷嘴直径大，提取环极大地限制了打印头的集成，同时也给打印头的组装、清洗和维护带来了困难。

专利CN201410289239.5提出了喷头独立可控打印的实现方法，但需要在喷孔前方外加提取电极，墨液易偏斜至提取电极上，使喷头损坏，且结构复杂，制造困难。专利CN201510299992.7提出了一种微型的电喷雾芯片器件及制作方法，但其喷雾芯片无法实现对每个喷孔的喷印状态进行独立调控。专利CN202111078207.7提出了一种独立可控打印的电流体喷头，但也增加了喷嘴结构的复杂度。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法及喷射装置，通过使用激光诱导的方式对喷嘴尖端的弯液面的温度进行调控，通过温度的变化改变弯液面尖端溶液的表面张力系数，实现电场力与表面张力之间的调节，进而控制各个喷嘴的独立喷射。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，包括：

向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，此时所有喷嘴不喷射；

通过激光照射点火喷嘴尖端弯液面，使其温度升高到其表面张力小于所述电场力，从而发生喷射。

进一步地，所述工作电压小于喷嘴开启电压，所述激光调控的温度范围低于溶液的沸点。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了另一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，包括：

向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；

通过激光照射非点火喷嘴尖端弯液面，使其温度降低到其表面张力大于所述电场力，从而不发生喷射。

进一步地，所述工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所述激光调控的温度范围高于溶液的熔点。

为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种用于实现如第一方面或第二方面所述方法的阵列化电流体喷印装置，包括阵列化电流体喷头、高压电源、激光器模块以及控制模块；

所述阵列化电流体喷头包括墨盒、喷孔板以及多个喷嘴；

所述高压电源用于产生工作电压；

所述激光器模块用于产生多束与每个喷嘴一一对应的激光束，以改变每个喷嘴尖端弯液面的温度；

所述控制模块用于控制所述高压电源和激光器模块，以调控高压电源输出的电压信号以及单独控制每个激光束的开闭。

进一步地，所述激光器模块由一个激光器加激光分束器组成，或者由多个激光器组成。

进一步地，所述激光器模块产生的多束激光根据设计需求排列组成，其数量与喷嘴数目相匹配。

进一步地，所述激光器模块通过控制模块调节激光的功率或者激光的脉冲时长，实现对喷嘴尖端弯液面温度的控制，进而控制喷嘴的独立喷射。

进一步地，所述喷孔板由绝热材料制成，或带有绝热材料夹层。

进一步地，所述喷嘴采用导热材料制备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

相较于现有技术，通过改变电场力来实现各个喷嘴的独立喷射；本发明创新地提出通过改变表面张力来实现各个喷嘴的独立喷射，具体为：通过使用激光诱导的方式对喷嘴尖端的弯液面的温度进行调控，通过温度的变化改变弯液面尖端溶液的表面张力系数，实现电场力与表面张力之间的调节，进而控制各个喷嘴的独立喷射。如此，本发明无需改变喷嘴结构，即可实现各个喷嘴的独立喷射，具有喷嘴结构简单、便于维护的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的阵列化电流体喷头独立喷射控制的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的电流体喷头结构示意图；

图3为本发明实施例提供的阵列化电流体喷印装置控制框图。

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。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本发明中，点火喷嘴指需要喷射的喷嘴，非点火喷嘴指不需要喷射的喷嘴。

本发明提供了一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，包括：

方式一：向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，此时所有喷嘴不喷射；通过激光照射点火喷嘴尖端弯液面，使其温度升高到其表面张力小于所述电场力，从而发生喷射。

方式二：向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；通过激光照射非点火喷嘴尖端弯液面，使其温度降低到其表面张力大于所述电场力，从而不发生喷射。

以方式一为例，在不喷射时，溶液温度为T₀，表面张力系数为γ₀，对于直径为d_N的喷嘴，尖端弯液面受到的表面张力为F_γ0＝4γ₀/d_N，此时给所有喷嘴施加工作电压U₀，喷嘴尖端弯液面受到的电场力

其中E₀＝4U₀/(d_Nln8H/d_N)，ε₀为真空介电常数，H为喷嘴到基板的距离。此时F_γ0>F_E，所有喷嘴不喷射。通过激光照射点火喷嘴尖端弯液面，使其升温达到T₁，此时点火喷嘴尖端弯液面的表面张力降低为F_γ1，F_γ1<F_E，点火喷嘴发生喷射。而此时非点火喷嘴尖端弯液面的表面张力为F_γ0不变，不发生喷射。

进一步地，给所有喷嘴施加的工作电压应小于喷嘴开启电压，且激光调控的温度范围低于溶液的沸点。

以方式二为例，此时工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所有喷孔喷射。通过激光照射非点火喷嘴尖端弯液面，使其表面张力升高，此时非点火喷嘴尖端弯液面的表面张力大于电场力，不发生喷射，其他点火喷嘴继续喷射。其中，激光调控的温度范围高于溶液的熔点。

本发明还提供了一种用于实现如实施例一所述方法的阵列化电流体喷印装置，如图1所示，包括阵列化电流体喷头、高压电源、激光器模块以及控制模块。

1)阵列化电流体喷头包括墨盒、喷孔板以及多个喷嘴。

具体地，如图2所示，墨盒包括进墨口、出墨口和安装孔；进墨口和出墨口设置于墨盒的上端，进墨口用于加注墨液，出墨口用于排出多余的墨液及气泡；安装孔设置于墨盒两侧，用于安装、固定喷头的位置。

喷孔板设置于墨盒底部且为带孔的平板。

作为进一步优选的，喷孔板可用激光烧蚀、光刻、喷砂等工艺在绝热平板上加工出通孔得到(或有绝热材料夹层的平板)，绝热材料制备的喷孔板有利于阻止热量在不同喷嘴之间传递，避免热串扰，提高独立控制效果。通孔用于引导溶液流入喷嘴。

喷嘴设置于喷孔板底部且为空心凸台结构，并与喷孔板通孔一一对应。溶液由墨盒流经喷孔板通孔，进入喷嘴，最后从喷嘴尖端处喷出。

作为进一步优选的，喷嘴用导热材料制备，有利于热量从溶液向空气中扩散，使得喷嘴能够在发生喷射后迅速恢复常温，实现快速响应。

2)高压电源用于产生工作电压。

具体地，高压电源是高电压信号的产生装置，可以将输入的低压信号转化为高压信号，并通过引线接入溶液，用以产生电场，驱动溶液发生喷射。其参数可以手动调节，也可以通过控制模块产生的低压信号控制。

3)激光器模块用于产生多束与每个喷嘴一一对应的激光束，以改变每个喷嘴尖端弯液面的温度。

具体地，激光器模块是激光的产生装置，产生的激光照射溶液的弯液面，可以调节溶液的温度，其输出功率可以手动调节，也可以通过控制模块调节控制。

激光器模块可以由一个激光器加激光分束器组成，或者由多个激光器组成。且激光器模块产生的多束激光根据设计需求排列组成，其数量与喷嘴数目相匹配。进一步地，激光器模块通过控制模块调节激光的功率或者激光的脉冲时长，实现对喷嘴尖端弯液面温度的控制，进而控制喷嘴的独立喷射。

需要说明的是，可以采用升温激光器或降温激光器照射喷嘴尖端弯液面，以升高或降低喷嘴尖端弯液面温度。

4)控制模块用于控制所述高压电源和激光器模块，以调控高压电源输出的电压信号以及单独控制每个激光束的开闭。

具体地，如图3所示，控制模块由上位机和数字主控组成。

上位机是人机交互的界面，可以主要是所需打印的图案转化为打印数据发送给数字主控，并且能通过软件对高压电源和激光器的输出参数进行调控。

数字主控模块为单片机，也可以是PLD或者FPGA等其他形式的微控制器。主要负责打印数据的接收、处理、缓存、输出和时序逻辑控制，在接收到所需的打印数据后，数字主控将其转化为高压电源和各个激光束开关动作所需要的逻辑控制信号，随后根据给定的时序将其串行或并行地输出给高压电源和激光器模块。

为了更好的说明本发明，现给出如下示例：

本示例中，墨盒使用有机玻璃等绝缘材料加工制备。墨盒的进墨口，用于加注墨液，出墨口用于排出多余的墨液及气泡。墨盒安装定位孔用于安装、固定喷头的位置。

喷孔板使用绝热的玻璃材料做基材，长度约为10mm，宽度10mm，厚度1mm，随后利用激光在玻璃上烧蚀出3个圆形通孔，直径260μm，间距1mm。

喷孔使用不锈钢的34G针头，内径60μm，外径230μm，插入喷孔板通孔，并使用UV固化胶粘接。

最后，可在制作突出喷嘴表面蒸镀特氟龙疏水层，避免墨液扩散。随后将墨盒和喷孔板用UV固化胶粘合，并用金属导线将电极从高压电源引入墨盒，使用UV固化胶密封。

控制模块选定为个人电脑PC作为上位机，采用单片机作为数字主控。使用电流体喷头前，先将墨盒上的安装孔对准实验平台上螺纹孔，通过螺栓将电流体喷头固定于实验平台上，并调节电流体喷头夹具使喷嘴与打印基板保持平行，保证各喷嘴受到相同大小的电场力。随后使用流量泵从进墨口泵入乙醇溶液，并从出墨口排出墨盒内的气泡。当乙醇溶液填充满墨盒后，将打印头调节至适当高度。

乙醇的表面张力如表1所示，沸点为78.3℃。控制打印高度为1mm，环境温度为10℃，则喷嘴的开启电压约为900V。

电流体喷头使用时，通过个人电脑PC输出信号给单片机，控制高电压和激光的输出。首先，给所有喷嘴施加电压810V，喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于喷嘴尖端弯液面受到的表面张力，所有喷嘴不发生喷射。此时，通过激光照射点火喷嘴，将乙醇溶液温度快速升至70℃，液体受到的电场力大于液体受到的表面张力，点火喷嘴发生喷射，不需要该喷嘴继续喷射时，停止激光照射，温度下降，喷射停止。通过控制不同喷嘴依次喷射，完成图案化的打印。

表1不同温度下乙醇的表面张力系数

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 (10)

1.一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，其特征在于，包括：

向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，此时所有喷嘴不喷射；

通过激光照射点火喷嘴尖端弯液面，使其温度升高到其表面张力小于所述电场力，从而发生喷射。

2.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，其特征在于，所述工作电压小于喷嘴开启电压，所述激光调控的温度范围低于溶液的沸点。

3.一种阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，其特征在于，包括：

向所有喷嘴施加相同的工作电压，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；

通过激光照射非点火喷嘴尖端弯液面，使其温度降低到其表面张力大于所述电场力，从而不发生喷射。

4.根据权利要求3所述的阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，其特征在于，所述工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所述激光调控的温度范围高于溶液的熔点。

5.一种用于实现如权利要求1-4任一项所述方法的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，包括阵列化电流体喷头、高压电源、激光器模块以及控制模块；

所述阵列化电流体喷头包括墨盒、喷孔板以及多个喷嘴；

所述高压电源用于产生工作电压；

所述激光器模块用于产生多束与每个喷嘴一一对应的激光束，以改变每个喷嘴尖端弯液面的温度；

所述控制模块用于控制所述高压电源和激光器模块，以调控高压电源输出的电压信号以及单独控制每个激光束的开闭。

6.根据权利要求5所述的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述激光器模块由一个激光器加激光分束器组成，或者由多个激光器组成。

7.根据权利要求5所述的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述激光器模块产生的多束激光根据设计需求排列组成，其数量与喷嘴数目相匹配。

8.根据权利要求5所述的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述激光器模块通过控制模块调节激光的功率或者激光的脉冲时长，实现对喷嘴尖端弯液面温度的控制，进而控制喷嘴的独立喷射。

9.根据权利要求5所述的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述喷孔板由绝热材料制成，或带有绝热材料夹层。

10.根据权利要求5所述的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述喷嘴采用导热材料制备。

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