CN117320818A - 气溶胶喷射装置的高可靠性带鞘输送路径 - Google Patents

Abstract

一种用于沉积气溶胶的设备和方法，其具有超快气动挡板。通过整个沉积流路的气溶胶流被至少一种鞘气围绕，从而大大增加了可靠性。气溶胶切换室与反向气流室输入之间的距离被最小化以减少切换时间。从切换室到喷嘴出口的距离也被最小化以减少切换时间。系统中的气流被配置成在系统中保持基本恒定的压力，并因此保持通过沉积喷嘴和排放喷嘴的基本恒定的流量，以最小化开启/关闭切换时间。这使得系统具有小于10ms的切换时间。

Description

气溶胶喷射装置的高可靠性带鞘输送路径

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年4月29日提交的题为“HIGHRELIABILITY SHEATHEDTRANSPORT PATH FOR AEROSOL JET DEVICES”的美国临时专利申请NO.63/181，736的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

发明背景

本发明的领域(技术领域)

本发明涉及用于传播气溶胶流、以及气溶胶流的气动关闭的设备和方法。气溶胶流可以是液滴流、固体粒子流、或者包括液滴和固体粒子或包含固体粒子的液滴的流。

背景技术

注意，下面的论述可能会参考许多出版物和参考文献。本文中对这样的出版物的论述是为了更完整的科学原理的背景，并且不应被解释为承认这样的出版物是用于可专利性确定目的的现有技术。

一些气溶胶喷射沉积系统恰好在沉积喷嘴之前向气溶胶流添加气体鞘，以集中气溶胶束，加速流动并保护喷嘴的内部。在鞘添加之前，来自气溶胶产生源的气溶胶传递路径的上游内部部分与气溶胶接触，并且容易受到由物料堆积引起的故障的影响。雾路径的该部分可以包括雾管或通道、交汇部、气动挡板部件、或雾路径的其它部分。暴露于气溶胶的表面遭受潜在物料积聚的风险，这可能改变流几何形状并降低系统性能。沉积物料在输送路径中的积聚可能导致打印物料输出变化和打印几何形状误差。如果积聚了足够多的物料，就会发生灾难性的故障，从而导致气溶胶流的完全堵塞。由物料堆积导致的故障本质上趋向于是统计性的，受印刷物料流变学的强烈影响，并且难以预测，从而使得运行时间大于4至8小时的物料不可知系统的设计难以实现。因此，需要可以运行超过24小时的高可靠性气溶胶传递路径，所述高可靠性气溶胶传递路径能够支持典型的输送路径功能，诸如但不限于内部气动关闭。

发明内容(本发明的公开内容)

本发明的一实施例是一种用于控制气溶胶的沉积的方法，所述方法包括：向沉积设备中的输送管供应气溶胶；用输送鞘气围绕所述输送管的外部；在所述气溶胶进入所述输送管之前，用所述输送鞘气围绕所述气溶胶；将所述气溶胶和周围的输送鞘气输送到所述沉积设备的切换室；从所述沉积设备排放增压气体和排放鞘气；用沉积鞘流围绕所述气溶胶和所述输送鞘气两者以形成经组合的流；使所述经组合的流行进通过沉积喷嘴；切换所述增压气体的流动路径，使所述增压气体被添加到所述沉积鞘流而不是从所述沉积设备排放，从而阻止所述气溶胶流动到所述沉积喷嘴中；以及从所述沉积设备排放所述气溶胶。在执行所述方法时，所述切换室中的压力优选地保持近似恒定。在执行所述方法时，通过所述沉积喷嘴的气体流量优选地近似恒定。所述气溶胶优选地被至少一种鞘气围绕，直到从所述沉积设备排放所述气溶胶的步骤为止，从而防止所述气溶胶积聚在穿过所述沉积设备的气溶胶输送路径的表面上。从所述沉积设备排放所述增压气体和所述排放鞘气的步骤优选地包括使所述增压气体和所述排放鞘气行进通过排放喷嘴。从所述沉积设备排放所述气溶胶的步骤优选地包括在所述气溶胶行进通过所述排放喷嘴之前用所述排放鞘气围绕所述气溶胶。在执行所述方法时，通过所述排放喷嘴的流量优选地近似恒定。

将所述气溶胶从朝向所述沉积喷嘴流动切换到朝向所述沉积设备的排放件流动所需的时间优选地小于大约1ms。在切换步骤之后气溶胶流停止离开所述沉积喷嘴所需的时间优选地小于大约10ms。权利要求1的方法优选地还包括：切换回所述增压气体的流动路径，使所述增压气体从所述沉积设备排放而不是被添加到所述沉积鞘流，从而开始所述气溶胶朝向所述沉积喷嘴的流动；和使所述经组合的流行进通过所述沉积喷嘴。将所述气溶胶从朝向所述沉积设备的排放件流动切换到朝向所述沉积喷嘴流动所需的时间优选地小于大约1ms。在切换回步骤之后预定流量的气溶胶离开所述沉积喷嘴所需的时间优选地小于大约10ms。所述方法可选地还包括在输送步骤之后将所述输送鞘气分成排放部分和沉积部分，使得所述经组合的流包括被所述沉积部分围绕的气溶胶，所述气溶胶和所述沉积部分都被所述沉积鞘流围绕。在这种情况下，从所述沉积设备排放增压气体和排放鞘气的步骤优选地包括用所述增压气体和排放鞘气围绕所述排放部分，以及从所述沉积设备排放所述排放部分、所述增压气体、和所述排放鞘气。

本发明的目的、优点和新颖特征以及进一步的适用范围将结合附图、部分地在下面的详细描述中阐述，并且在本领域技术人员检查下文后将部分地变得显而易见，或者可以通过实践本发明来获悉。本发明的目的和优点可以通过在所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。

附图说明

并入到本说明书中并形成本说明书一部分的随附附图图示出本发明的实施例的实践，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于说明本发明的某些实施例，而不应被解释为限制本发明。在附图中：

图1是气溶胶喷射打印引擎气溶胶输送路径的实施例的示意图，示出了流和气溶胶分布。

图2是结合了内部气动挡板的气溶胶喷射打印引擎气溶胶输送路径的实施例的示意图，示出了沉积配置中的流和气溶胶分布。

图3是图2的系统在转向配置开始时的流和气溶胶分布的示意图。

图4是图2的系统在转向配置中的流和气溶胶分布的示意图。

图5是图2的系统在沉积配置开始时的流和气溶胶分布的示意图。

图6是图2的系统在具有基于质量流量控制器的排放配置的转向配置中的流和气溶胶分布的示意图。

图7是指示在转向配置中的本发明的切换廊道的流分布和一些尺寸的几何表示。

具体实施方式

本发明的实施例是用于但不限于将物料气溶胶喷射打印到平面和三维表面上的气溶胶流的传播和转向的设备和方法。如在整个说明书和权利要求中所使用的，术语“气溶胶”是指由载气输送的液滴(其可以可选地包含呈悬浮状态的固体物料)、细固体颗粒、或其混合物。

在本发明的一个或多个实施例中，气溶胶传递路径被结合到将物料从气溶胶源(诸如超声波或气动雾化器)输送到沉积喷嘴的设备中。在进入沉积喷嘴之前，施加同心气体鞘来围绕气溶胶流。当经组合的流流动通过喷嘴时，气溶胶发生集中，从而导致宽度小至10 μm的印刷特征的沉积。在本发明的一个或多个实施例中，用于使所述物料流转向的内部气动挡板与沉积喷嘴相对于印刷基底的运动相配合，从而致使期望的印刷特征的沉积。示例性内部气动关闭系统在通过引入并入本文的共有的美国专利No.10，632，746中更详细地描述。

图1示出了包括用于本发明的打印引擎的带鞘气溶胶输送路径的实施例的气溶胶输送路径。气溶胶源(诸如气动雾化器)产生气溶胶2并将其传递到雾室3。连接到压缩气体供应件(未示出)的质量流量控制器4优选地通过质量流量控制器供应主鞘气5，所述主鞘气进入主鞘气集气室7，并围绕雾管9的外径被周向地注入到雾室3中。输送路径中的流量优选地足够低以确保层流。主鞘气5保持与雾管9接触，并流过雾管9的顶表面15，从而围绕气溶胶2并将气溶胶2与雾管9的所有表面分开。气溶胶2和主鞘气5形成优选的环形的、轴对称的、分层的流，所述分层的流沿雾管9向下行进到沉积喷嘴11，在所述沉积喷嘴处所述分层的流被收缩和/或集中，从而使所述分层的流加速。高速气溶胶离开沉积喷嘴11并撞击在印刷表面13上，从而导致期望的特征的沉积。雾管9的所有表面都被主鞘气5流覆盖，并且所述所有表面在任何时候都不会与气溶胶2接触，从而防止了物料积聚的任何机会。

在本发明的替换实施例中，内部气动挡板被结合在雾传递路径中，并在图2中示出。类似于图1的系统，气溶胶源产生气溶胶25并将所述气溶胶传递到雾室24。优选地由连接到压缩气体供应件的鞘质量流量控制器21提供的主鞘气流20进入主鞘气集气室22，并围绕雾管26的外径被周向地注入到雾室24中，并围绕气溶胶流30沿箭头28的方向沿雾管26的内侧向下传播。气溶胶流30和主鞘气流20优选地在转向、印刷和切换期间保持恒定(如下文描述的)。气溶胶流30和主鞘气流20离开雾管26并传播到切换廊道32中。主鞘气流的排放鞘流部分34进入排放集气室36并传播到排放鞘集气室38，在所述排放鞘集气室处所述排放鞘流部分优选地被排放鞘流40围绕并被排出排放喷嘴42。排放鞘流40是排放填充流46与增压流44的组合物，所述排放填充流优选地由连接到压缩气体供应件的排放填充质量流量控制器47提供，所述增压流优选地由连接到压缩气体供应件的增压质量流量控制器45提供，所述增压流通过阀48被引导到排放鞘流40中。气溶胶流30和主鞘气流的其余鞘流部分50传播通过切换廊道32并经过鞘增压集气室52，在所述鞘增压集气室处鞘增压流54被周向地添加。气溶胶流30、其余鞘流部分50、以及鞘增压流54进入沉积喷嘴56。鞘增压流54和其余鞘流部分50防止气溶胶流30接触雾路径的壁，并有助于在气溶胶流30离开沉积喷嘴56时将所述气溶胶流30加速和集中成集中束，以确保在印刷表面58上的精确和受控的撞击。在该配置中与鞘增压流54相同的沉积鞘流60优选地由连接到压缩气体供应件的沉积鞘质量流量控制器62提供。切换廊道32优选地直接连接到鞘增压集气室52，而不需要使用雾管来连接每个室中的流。

图3中示出的用于使所述气溶胶流转向的过程的启动是由致动阀48引起的，使得增压流44从排放鞘流40移除，并被添加到沉积鞘流60以扩充鞘增压流54。由于从沉积喷嘴56流出的流优选地是恒定的，因此反向增压流70被迫流动离开沉积喷嘴56，从而与气溶胶流30的流动相反并反转所述气溶胶流的方向。几乎同时，进入到排放鞘集气室38中的增压流44的缺失导致流出排放集气室36的流量增加了增压流44的量，从而有助于与反向气溶胶流30相关联的流场的反转。由于喷嘴的阻力保持恒定并且进入到雾传递系统中的总流量保持基本恒定，因此切换廊道32中的压力保持基本恒定。恒定压力操作确保了沉积喷嘴56处的恒定气溶胶输出，并避免了与等待所述系统达到压力平衡相关联的延迟。恒定压力操作能够在小于约1ms的时间内对切换廊道32中的气溶胶流进行重新定向。在增压流44被切换后，残留在沉积喷嘴56中的气溶胶被排出达小于约10ms。

当阀48保持在转向状态中时，图4中示出的稳定转向状态被实现。在转向状态中，气溶胶30传播通过排放集气室36，一直传播到排放鞘集气室38，在所述排放鞘集气室处排放鞘流40被周向地添加到气溶胶流30，并且经组合的流80通过排放喷嘴42排出。类似于沉积喷嘴的操作，排放鞘流40的添加防止了气溶胶流30接触排放喷嘴42。

如图5中示出的，沉积的恢复由切换阀48启动，以使增压流44与排放填充流46组合，从而使流出排放集气室36的流量减少增压流44的量。所有气溶胶流，加上主鞘流20的一部分，都进入切换廊道32。几乎同时，阀48的致动使得鞘增压流54减少了等于增压流44的量，这消除了对通过切换廊道32的气溶胶流30的阻力，并且气溶胶前90在沉积喷嘴56的方向上恢复传播。由于输送路径优选地在大约恒定的压力下操作，因此排放喷嘴42和沉积喷嘴56具有流过它们的恒定流量。

输送路径内的压力由质量流量控制器产生的流量通过由喷嘴提供的阻力的结果。由于质量流量控制器提供基本恒定的流量，并且喷嘴在该流量下提供基本恒定的阻力，因此压力始终保持基本恒定。三通阀48将增压流入口点切换到输送路径中，但是通过这些喷嘴中的每个喷嘴的总流入和流出保持基本恒定；气溶胶流只是简单地从一个喷嘴切换到另一个喷嘴。

虽然排放喷嘴42由于其简单性和可靠性是优选的排放配置，但是在图6中示出了在排放出口处产生恒定流量的替代配置。真空泵104向排放填充质量流量控制器47提供负压，所述排放填充质量流量控制器优选地通过过滤器102抽取排放填充质量流量控制器流100。通过排放填充质量流量控制器47的流量保持基本恒定。在转向时，阀48防止增压流44与排放填充质量流量控制器流100组合，从而致使更大的流量流出排放集气室，从而支持转向过程。如果阀48被切换成使得其用供给增压流44来扩充排放填充质量流量控制器流100，从而将流出排放集气室的流量减少增压流44的量，则系统被切换到沉积过程并且启动沉积。

图7中示出了在转向期间通过转换廊道的流。在转向时，气溶胶流110中的气溶胶132在沉积喷嘴112喷嘴的方向上的运动在切换廊道116的中心轴线124附近的位置处停止。来自鞘增压入口120的阻挡流118的速度优选地与气溶胶流110相等且相反，从而致使优选地垂直于中心切换廊道轴线124的雾前停滞平面122。气溶胶流110悬浮在该停滞平面处，并径向地向外转向至排放出口126。排放通道中的径向气溶胶流128由沿着切换廊道116的面向沉积喷嘴112的表面的阻挡流118包覆，并被相对表面上的主鞘流130包覆，从而防止气溶胶流110和径向气溶胶流128两者与切换廊道116的内壁之间的接触，因而避免物料堆积和相关联的系统故障。同时，喷嘴停滞平面114平行于雾前停滞平面122，并且被定位在雾前停滞平面122与沉积喷嘴112的入口之间。切换廊道116的形状和尺寸、以及进入和离开所述廊道的流量的量值决定了雾前停滞平面122与喷嘴停滞平面114的位置以及二者之间的距离，并因此确定了气溶胶流到沉积喷嘴的传播被中断和恢复的突然程度。

气溶胶流的中断速率和恢复速率在本文中分别被称为渐显(fade in)时间和渐隐(fade out)时间。渐显时间和渐隐时间最小地受到以下速度限制：在该速度下，切换廊道内的流场被重新配置以建立或消除由于阀48进行的增压流切换所导致的停滞平面122和喷嘴停滞平面114。模拟预测出，在给定适当的流量和阀切换速度的情况下，流场重新配置发生在远小于1ms的时间内，从而导致渐显时间和渐隐时间小于1ms。在给定适当的阀切换速度的情况下，诸如这样的非常低的渐显时间和渐隐时间能够实现数百赫兹的切换速率。在需要高速地打印点或横杠(dash)的序列的应用中，快速渐显时间和渐隐时间非常重要。在这些应用中，最大打印速度、和每秒可以打印的特征数量直接受到渐显时间和渐隐时间的限制。必须限制打印速度，以便渐显或渐隐不会对特征产生模糊或抹脏(smeared)边缘。渐显时间和渐隐时间与经调制的气溶胶前传播通过输送路径的其余部分并离开沉积喷嘴所需的时间长短无关。相反，延迟时间(开和关)包括衰减(fade)时间、和气溶胶前传播通过沉积喷嘴并撞击在基底表面上所需的时间、以及阀切换时间。

切换廊道优选地在形状上是轴对称的，并且中心切换廊道直径140确定给定流量的速度轮廓即分布。通过切换廊道116的中心的速度分布与其直径的平方成反比。从切换流以开始沉积直到气溶胶流完全开启为止所需的时间在本文中被称为开启延迟，并且从切换流以使气溶胶转向直到没有气溶胶离开喷嘴为止所需的时间被称为关闭延迟。当从转向状态切换到沉积状态时，气溶胶流110沿中心切换廊道轴线124从雾前停滞平面122穿过距离152到达沉积喷嘴112的入口所花费的时间代表了大部分开启延迟。最小化距离152能够使开启延迟最小化。最小化距离152也使增压流入口与雾前停滞平面122之间的距离最小化，这有利于最小的关闭延迟。在本发明的一个实施例中，由于消除了先前装置中所要求的将切换室与增压流室分开的雾管，因此距离152为2.8mm，对应于小于约6ms的开启延迟，这相对于先前的内部气动挡板设计，长度减少了高于80％，并且相对于这两种设计，开启延迟相应减少。宽度小于约10μm特征尺寸的精细特征打印通常需要非常低的流量，但仍然需要高速关闭(转向)，其中开启延迟和关闭延迟<10ms。减小切换廊道直径140和距离152支持在精细特征打印所需的流量下<10ms的开启时间和关闭时间。

注意，在说明书和权利要求中，“约”或“大约或近似”是指在所引用的数值的上下百分之二十(20％)以内。如本文中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指示物。因此，例如，提及“官能团”是指一个或多个官能团，并且提及“方法”包括提及本领域技术人员将理解和领会的等效步骤和方法，等等。

虽然已经具体参考所公开的实施例详细描述了本发明，但是其它实施例可以实现相同的结果。本领域技术人员将明白本发明的变型和修改，并且它旨在涵盖所有这样的修改和等同物。上文引用的所有专利和出版物的全部公开内容通过引入在此并入。

Claims (14)

1.一种用于控制气溶胶的沉积的方法，所述方法包括：

向沉积设备中的输送管供应气溶胶；

用输送鞘气围绕所述输送管的外部；

在所述气溶胶进入所述输送管之前，用所述输送鞘气围绕所述气溶胶；

将所述气溶胶和周围的输送鞘气输送到所述沉积设备的切换室；

从所述沉积设备排放增压气体和排放鞘气；

用沉积鞘流围绕所述气溶胶和所述输送鞘气两者以形成经组合的流；

使所述经组合的流行进通过沉积喷嘴；

切换所述增压气体的流动路径，使所述增压气体被添加到所述沉积鞘流而不是从所述沉积设备排放，从而阻止所述气溶胶流动到所述沉积喷嘴中；以及

从所述沉积设备排放所述气溶胶。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述方法时，所述切换室中的压力保持近似恒定。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述方法时，通过所述沉积喷嘴的气体流量近似恒定。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气溶胶被至少一种鞘气围绕，直到从所述沉积设备排放所述气溶胶的步骤为止，从而防止所述气溶胶积聚在穿过所述沉积设备的气溶胶输送路径的表面上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述沉积设备排放所述增压气体和所述排放鞘气的步骤包括使所述增压气体和所述排放鞘气行进通过排放喷嘴。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，从所述沉积设备排放所述气溶胶的步骤包括在所述气溶胶行进通过所述排放喷嘴之前用所述排放鞘气围绕所述气溶胶。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在执行所述方法时，通过所述排放喷嘴的流量近似恒定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述气溶胶从朝向所述沉积喷嘴流动切换到朝向所述沉积设备的排放件流动所需的时间小于大约1ms。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在切换步骤之后气溶胶流停止离开所述沉积喷嘴所需的时间小于大约10ms。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

切换回所述增压气体的流动路径，使所述增压气体从所述沉积设备排放而不是被添加到所述沉积鞘流，从而开始所述气溶胶朝向所述沉积喷嘴的流动；和

使所述经组合的流行进通过所述沉积喷嘴。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述气溶胶从朝向所述沉积设备的排放件流动切换到朝向所述沉积喷嘴流动所需的时间小于大约1ms。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，在切换回步骤之后，预定流量的气溶胶离开所述沉积喷嘴所需的时间小于大约10ms。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括在输送步骤之后将所述输送鞘气分成排放部分和沉积部分，使得所述经组合的流包括被所述沉积部分围绕的气溶胶，所述气溶胶和所述沉积部分都被所述沉积鞘流围绕。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，从所述沉积设备排放增压气体和排放鞘气的步骤包括用所述增压气体和排放鞘气围绕所述排放部分，以及从所述沉积设备排放所述排放部分、所述增压气体、和所述排放鞘气。