CN203246189U - 电力耦合喷印系统 - Google Patents

Abstract

电力耦合喷印系统，涉及一种喷印设备。提供一种可避免射流鞭动效应带来的沉积形状的不确定性，定位精度高，材料可多样化的基于电液动力耦合喷印的电力耦合喷印系统。设有Z轴直线电机、喷头、集成高压电源、X轴直线电机、Y轴直线电机、收集板、控制柜、供液装置、供液管道和计算机；所述喷头安装于Z轴直线电机上，喷头位于收集板上方，集成高压电源正极与喷头连接，集成高压电源负极与收集板连接并接地，X轴直线电机的导轨固定在Y轴直线电机的载物台上，X轴直线电机与Y轴直线电机构成二维运动平台，收集板置于该二维运动平台上，供液装置通过供液管道与喷头连通，控制柜输入端接计算机输出端，控制柜输出端分别接Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机。

Description

电力耦合喷印系统

技术领域

本实用新型涉及一种喷印设备，尤其是涉及一种基于电液动力耦合喷印，适用于多材料喷印成型的电力耦合喷印系统。

背景技术

一维微纳米结构，尤其是超细纤维结构，由于其独特的性质及其广泛的应用前景，受到了越来越多的研究者和企业的关注。在越来越多涉及到现代科技，如国防，能源，环境检测等领域，一维纤维结构都扮演着越来越重要的角色，尤其是在各种微结构传感器中。

一维纤维结构，尤其是有序图案化多形态的一维纤维结构，已经被看作是决定未来微纳米器件的基础性关键技术([1]D.Li,Y.N.Xia.Electrospinning of Nanofibers:Reinventing theWheel[J].Advanced Materials,2004,16(14):1151-1170.)。传统的制备微纳米纤维的方法，如微纳米操纵等，普遍存在成本过高，生产效率低，位置难以控制等缺点。而电液动力耦合喷印则具有设备简单、操作方便、材料适用性强、可喷印溶液粘度高等优点，而且有较好的制备连续性，制备出的纤维不但连续而且长度较长（能达到几厘米甚至是几米），均匀性好，能够在许多材料的溶液下进行纺制，也可以在材料的熔融状态下进行纺制，尤其是一些金属属性材料。但常规的电液动力耦合喷印存在一个比较突出的缺点——射流鞭动效应带来的沉积形状的不确定性([2]D.H.Reneker,A.L.Yarin,H.Fong,S.Koombhongse.BendingInstability of Electrically Charged Liquid Jets of Polymer Solutions in Electrospinning[J].Journalof Applied Physics,2000,87(9):4531-4547.)。为了克服这种不确定性，可运用远距离喷射技术，诱使喷印液滴在基材叠加溶合形成不同功能薄膜；也可以用射流鞭动前一段相对稳定、直线性较好的射流，也就是缩短喷头与收集板之间的距离，从而可以制出直线度非常好并且可以图案化的效果([3]D.H.Sun,C.Chang,S.Li,L.W.Lin.Near-Field Electrospinning[J].NanoLetters,2006,6(4):839-842.)。

利用直线电机的特性，可实现喷印过程的选择性和工业化。直线电机的优点：(1)高速度，目前最大进给速度可达1～4m/s；(2)高加速度，可高达2～10g；(3)定位精度高，采用闭环控制其理论定位精度可以为零，而受配套设备精度奴限制，实际最高定位精度可达0.1～0.01μm；(4)行程不受限制，由于直线电机的次级(定子)可以分段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响([4]王先速，陈定积，吴丹.机床进给系统用直线电动机综述[J].制造技术与机床，2001，8：18-20.)。但目前尚未见到电液动力耦合喷印与直线电机结合的报道。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可避免射流鞭动效应带来的沉积形状的不确定性，定位精度高，材料可多样化的基于电液动力耦合喷印的电力耦合喷印系统。

本实用新型设有Z轴直线电机、喷头、集成高压电源、X轴直线电机、Y轴直线电机、收集板、控制柜、供液装置、供液管道和计算机；

所述喷头安装于Z轴直线电机上，喷头位于收集板上方，集成高压电源正极与喷头连接，集成高压电源负极与收集板连接并接地，X轴直线电机的导轨固定在Y轴直线电机的载物台上，X轴直线电机与Y轴直线电机构成二维运动平台，收集板置于该二维运动平台上，供液装置通过供液管道与喷头连通，控制柜输入端接计算机输出端，控制柜输出端分别接Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机。

所述喷头的侧方可设有CCD摄像机，CCD摄像机与计算机输出端连接。CCD摄像机可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且能对结果进行测量，如液滴直径、线宽、结构间距等。

所述喷头的上方可设有喷头库，喷头库与计算机输出端连接。喷头库安置有可供选用的多种喷头，如同心结构的喷头，带有保护气管道和环形气孔的喷头，带有稳流套筒的喷头等，喷头库可以在不同工艺场合下完成不同喷头的转换，继而完成不同的生产过程，实现不同的喷印效果。

本实用新型是在传统电液动力耦合喷印以及近场直写装置的基础上，缩短了喷头与收集板之间的距离，从而克服了射流鞭动对最终沉积效果的影响。

与现有技术比较，本实用新型具有如下优点：

本实用新型在传统电液动力耦合喷印基础上引入了直线电机，二维运动平台上设有X轴直线电机和Y轴直线电机；X轴直线电机和Y轴直线电机连接计算机，通过计算机程序可控制X轴直线电机和Y轴直线电机按预定轨迹进行运动；收集板放置于由X轴直线电机和Y轴直线电机构成的二维运动平台上，收集板按预定轨迹运动；X轴直线电机和Y轴直线电机运动速度和加速度可调。整个运动过程由控制柜中的驱动器和控制卡进行控制，控制算法设定为基于PID的PIV&F伺服控制算法，其特点在于使用比例反馈SGP、积分反馈SGI、速度反馈SGV、速度前馈SGVF和加速度前馈SGAF等指令，以满足定位／驱动动静态性能的要求，显著提高定位精度。

本实用新型在传统电液动力耦合喷印以及近场直写装置的基础上，引入具有特殊功能的供液装置及供液管道。供液装置本身具有储液，定量供液的功能，并且能够对所供液体进行加热、保温。而供液管道本身也具有加热、保温、冷凝、过滤等功能。这样既可以供给各种溶液，也可以供给各种熔融液体，从而扩大喷印的材料选择以及应用范围。而供液管道既能保证所供液体的热环境，也能过去一些未溶液或熔解的颗粒，保证喷印过程更加稳定连续。

本实用新型在传统电液动力耦合喷印以及近场直写装置的基础上，引入了集成高压电源。这使得喷头与收集板之间的电压不再是单单的一类直流或交流，而是可以根据需要而改变，所施加的电压可以是直流，交流，脉冲等；可根据需求进行转变，从而使得喷印过程更加柔性化。另外设置的CCD摄像机则可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且能对结果进行测量，如线宽，液滴直径，结构间距等。

本实用新型在传统电液动力耦合喷印以及近场直写装置的基础上，引入喷头库的概念。在不同工艺场合下，根据不同的喷印需求可以采用相对应的喷头，完成不同的生产过程，实现不同的喷印效果。

以上所述的运动控制（直线电机，控制柜），供液速度和温度控制（供液装置，供液管道），喷头选择（喷头，喷头库），电压控制（集成高压电源）以及视频监控（CCD摄像机）都可集中并且由计算机控制。计算机内设有综合控制软件，可以对各个参数进行校对，匹配甚至是模拟。从而实现了整个喷印过程的工业化、自动化、柔性化。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例设有：Z轴直线电机1，喷头2，集成高压电源3，CCD摄像机4，X轴直线电机5，Y轴直线电机6，收集板7，控制柜8，供液装置9，供液管道10，喷头库11，计算机12。

喷头2安装于Z轴直线电机1上，喷头2位于收集板7上方，集成高压电源3正极与喷头2连接，集成高压电源3负极与收集板7连接并接地，X轴直线电机5与Y轴直线电机6配合构成二维运动平台，收集板7置于该二维运动平台上，供液装置9通过供液管道10与喷头2连通，控制柜8输入端接计算机12输出端，控制柜8输出端分别接Z轴直线电机1、X轴直线电机5和Y轴直线电机6。

所述喷头2的侧方最好设有CCD摄像机4，CCD摄像机可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且能对结果进行测量，如液滴直径、线宽，结构间距等。

所述喷头2的上方设有喷头库11，喷头库11安置有可供选用的多种喷头，如同心结构的喷头、带有保护气管道和环形气孔的喷头、带有稳流套筒的喷头等，喷头库11可以在不同工艺场合下完成不同喷头的转换。

使用时，可以根据不同需要，通过Z轴直线电机的运动来调节2喷头与收集板7之间的距离，如当两者距离约3mm时，可以实现近场直写功能，能够写出单根一维结构并且图案化沉积；当喷头2与收集板7之间的距离约10cm时，可以实现传统喷印过程，所收集到的为沉积薄膜。而X轴直线电机5与Y轴直线电机6的配合运动，可以使置于其上收集板7达到1～300mm/s的速度特性，并具有1～5μm的位置精度，这样便可以满足各种喷印模式对相对速度、位置的要求。Z轴直线电机1、X轴直线电机5、Y轴直线电机6由控制柜8中的驱动器和控制卡综合控制。

集成高压电源3可根据不同使用情况变更电压模式，或直流，或交流，或脉冲等。在喷头2附近设置的CCD摄像机4则可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且能对结果进行测量，如线宽，液滴直径，结构间距等。

供液装置9具有储液，定量供液的功能，并且能够对所供液体进行加热、保温，将颗粒原料溶解至特定溶液中或直接变成熔融态。而且具有加热、保温、冷凝、过滤等功能。这样既可以供给各种溶液，也可以供给各种熔融液体，从而扩大喷印的材料选择以及应用范围。而供液管道10既能保证所供液体的热环境，也能过去一些未溶液或熔解的颗粒，保证喷印过程更加稳定连续。

运动控制，供液速度和温度控制，喷头选择，电压控制以及视频监控都最终集中并且由计算机12控制。计算机12内设有综合控制软件，可以对各个参数进行校对，匹配甚至是模拟，从而实现了整个喷印过程的工业化、自动化、柔性化。

Claims (2)

1.电力耦合喷印系统，其特征在于设有Z轴直线电机、喷头、集成高压电源、X轴直线电机、Y轴直线电机、收集板、控制柜、供液装置、供液管道和计算机；

喷头安装于Z轴直线电机上，喷头位于收集板上方，集成高压电源正极与喷头连接，集成高压电源负极与收集板连接并接地，X轴直线电机的导轨固定在Y轴直线电机的载物台上，X轴直线电机与Y轴直线电机构成二维运动平台，收集板置于该二维运动平台上，供液装置通过供液管道与喷头连通，控制柜输入端接计算机输出端，控制柜输出端分别接Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机。

2.如权利要求1所述的电力耦合喷印系统，其特征在于所述喷头的侧方设有CCD摄像机。

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