CN220808912U - 用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统，该喷头结构包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，压电陶瓷固定在驱动管外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。本实用新型解决了当前的受约束表面振荡电流体动力喷射喷头制备工艺复杂、耗时的问题，可大大缩短用户制作喷头所需的时间，降低用户的使用成本。

Description

用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统

技术领域

本实用新型属于电流体喷印技术领域，具体涉及用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统。

背景技术

电流体动力喷印技术是通过在喷头和与之相对的基板之间施加高强电场，使喷孔处的弯液面在电场“尖端效应”的作用下逐渐充液变为轴对称的圆锥状液面，当圆锥状液面尖端所受到的电应力足以克服液面本身的表面张力时，墨水以锥顶射流的形式，形成微细的射流。锥顶射流可保证打印的墨滴直径小于喷孔直径。利用微米级大小的喷孔，即可实现亚微米线宽的高精度打印。另外，相较于传统的只能打印低粘度墨水的喷墨打印技术，其允许的墨水粘度范围可宽至1-10000cp，在打印高粘度墨水方面具有其独特的优势。目前，电流体动力喷印技术在微纳器件封装、柔性电路以及柔性显示等前沿科研领域具有巨大的应用潜力。

虽然，电流体动力喷射技术具有打印精度高，允许墨水粘度范围大等优势，但打印频率通常为百赫兹甚至更低，使其目前只能作为一个科研工具而不是成熟的商业化制造工艺。CN116100956A提出了一种基于受约束界面振荡的超高频电流体动力喷射方法；与传统的电流体打印不同的是，该方法在毛细玻璃管外壁上耦合了一片状或者管状的压电陶瓷。当对压电陶瓷施加的电信号激励频率与管道内流体的固有谐振频率相同时，管道内压力波发生谐振现象，利用管道内往复传播的压力波，实现了弯液面在微米级喷孔处的高频振荡；该高频振荡不仅加速了泰勒锥的形成，还消除了射流后液面振荡，实现了可控的兆赫兹量级的连续电流体动力喷射，以及几万赫兹的的飞升以及阿升液滴的按需喷射打印，将传统EHD的打印效率提升了2～3个数量级。

虽然上述的技术将传统EHD的打印效率提升到了兆赫兹量级，但是其喷头制作过程比较繁琐。玻璃管在拉制以后，还需要利用环氧树脂或者其他的可固化的胶水，在其外壁上粘贴上一个片状或者管状压电陶瓷。首先，喷头制作过程繁琐，上述玻璃喷头需要使用环氧树脂在外壁上耦合一个片状或管状压电陶瓷，粘结剂的调制和压电陶瓷与储墨管耦合通常需要十几个小时才能完成，极大的降低了喷头的制作效率。由于喷头的尖端直径通常仅为几个微米，甚至亚微米，极易被墨水中的微小颗粒堵塞，如果不能有效解堵，则只能将包括压电陶瓷在内的整个喷头废弃。另外，对于微米以及亚微米的喷头，其在误碰、设备振动，以及操作不当(如背压过大)等情况下，极易破碎；所以，采用毛细玻璃管拉制的喷头为易损件，打印过程中需将其作为耗材使用。喷头可由毛细玻璃管经拉针仪拉制而成，其制作成本较为低廉，而压电陶瓷的市售价格则较高，由于目前所采用的喷头结构导致用户的使用成本较高，因此亟需开发一种低成本且喷头可快速更换的喷头安装及驱动结构。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提出用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

用于受约束表面振荡电流体动力喷射打印的喷头结构，包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，所述压电陶瓷固定在驱动管的外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；所述喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。

进一步地，所述压电陶瓷为贴在驱动管外壁上的片状压电陶瓷或套设在驱动管外壁上的管状压电陶瓷。

进一步地，所述压电陶瓷通过环氧树脂或可固化的胶水实现与驱动管外壁的机械耦合。

进一步地，所述驱动管为毛细玻璃管，其下端镀有一层金属导电膜且连接有导线，所述套筒侧壁上设有开口，导线从所述开口伸出。

进一步地，所述喷头主体为与驱动管具有相同内外径的玻璃管，其下端逐渐收缩。

进一步地，所述套筒内径小于驱动管和喷头主体的外径，以保证套筒与驱动管、喷头主体之间的紧密配合。

打印系统，包括如上所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，还包括夹持机构、供液单元、信号发生单元以及高压电源单元，所述夹持机构用于将喷头结构固定在移动平台上方，移动平台上设有承印面，所述供液单元采用注射泵，注射泵通过进液软管与驱动管的进液端连接，所述注射泵具备控制墨水流量以及调节背压的功能。

进一步地，所述信号发生单元的两个输出端分别通过导线与压电陶瓷的正负极连接，信号发生单元为信号发生器、单片机或能够产生低压脉冲的设备。

进一步地，所述高压电源单元正极通过导线与金属导电膜连接，负极与移动平台相连接，高压电源单元为高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源。

进一步地，所述夹持机构包括两个合板，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，喷头结构的封装套嵌设在竖直通孔中。

本实用新型带来的有益技术效果：

1、喷头可以随时快速更换。通过简单的插拔，即可快速的更换堵塞、损坏或者喷孔大小不合适的喷头。

2、喷头结构简单、制作方便，制作成本低。本实用新型通过将喷头结构中容易损坏的部分和喷头驱动部分一分为二，再利用套筒将两部分连接。相较于原来采用的一体式喷头(压电陶瓷与锥状玻璃管直接耦合的喷头)，喷头堵塞或者损坏之后只需更换前端的玻璃管即可，无需舍弃压电陶瓷。大大降低了用户的使用成本。同时，相较于一体式喷头，本喷头安装及驱动结构所需的喷头制作过程简单，只需通过拉制即可完成，无需粘贴压电陶瓷，大大缩短了喷头的制作周期。

综上，该喷头结构解决了当前的受约束表面振荡电流体动力喷射喷头制备工艺复杂、耗时的问题，可大大缩短用户制作喷头所需的时间，降低用户的使用成本。

附图说明

图1为本实用新型中采用片状压电陶瓷的喷头结构示意图；

图2为本实用新型中采用管状压电陶瓷的喷头结构示意图；

图3为本实用新型中打印系统的结构示意图；

图4为本实用新型中夹持机构的俯视剖面图；

其中，1-驱动管；2-压电陶瓷；3-封装套；4-套筒；5-导线；6-进液端；7-金属导电膜；8-开口；9-喷头安装孔；10-喷头主体；11-喷孔；12-进液软管；13-夹持机构；14-供液单元；15-信号发生单元；16-高压发生单元；17-承印面；18-移动平台；19-合板；20-铰链；21-固定卡扣；22-竖直通孔；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，如图1和2所示，包括喷头主体10、驱动管1、压电陶瓷2、封装套3和套筒4；

压电陶瓷2固定在驱动管1外壁上，在本实施例中，压电陶瓷固定在驱动管中间部分的外壁上，驱动管1和压电陶瓷2封装在封装套3内，实现对驱动管1与压电陶瓷2的一体化密闭封装，在本实施例中，驱动管中间部分和压电陶瓷封装在封装套内；压电陶瓷2为贴在驱动管1外壁上的片状压电陶瓷或套设在驱动管外壁上的管状压电陶瓷，压电陶瓷2通过环氧树脂或可固化的胶水实现与驱动管1外壁的机械耦合。

驱动管1为毛细玻璃管，其上端为进液端6，进液端连接有进液软管12，其下端伸入套筒4内；驱动管1下端镀有一层金属导电膜7且连接有导线5，套筒4侧壁上设有开口8，导线5从该开口8伸出。

喷头主体10上端伸入套筒4内，喷头主体10为与驱动管1具有相同内外径的玻璃管，喷头主体10上端面与驱动管1下端面相接触，其下端逐渐收缩，通过拉针、磨针工艺制备成不同孔径的喷孔11，喷头主体10插入套筒的喷头安装孔9，使喷头主体10上端面与驱动端1下端面配合即完成安装。当喷头主体堵塞、损坏，或者需要更换其他孔径的喷头主体时，通过简易的插拔方式便可将新的喷头主体安装到该喷头结构上。

套筒4与驱动管1、喷头主体10之间为过盈配合，套筒4由具有一定伸缩性的塑料制成，如聚四氟乙烯，其内径略小于驱动管1和喷头主体10的外径，以保证对墨水的密封性和安装的稳定性。

一种打印系统，如图3所示，包括上述一种喷头结构，还包括夹持机构13、供液单元14、信号发生单元15以及高压电源单元16；

夹持机构13用于将喷头结构固定在移动平台18上方，移动平台18上设有承印面17，如图4所示，夹持机构包括两个合板19，两个合板一端通过铰链20铰接，另一端通过固定卡扣21连接，两个合板之间设有竖直通孔22，喷头结构的封装套3嵌设在竖直通孔22中。

供液单元14采用注射泵，注射泵通过进液软管12与驱动管1的进液端6连接，注射泵为具备控制墨水流量以及调节背压功能的设备。供液单元14一方面可以使弯液面在非喷射时间范围内处于一个合适的形状和高度，另一方面能在喷射过程中保证持续供液并通过背压大小来调整弯液面振荡幅值，从而调节射流的体积。

信号发生单元15的两个输出端分别通过导线5与压电陶瓷2的正负极连接，信号发生单元为信号发生器、单片机或其他任意的可以产生低压脉冲的设备，用于产生CMOS或TTL电平信号。

高压电源单元16正极通过导线与金属导电膜7连接，负极与移动平台18相连接，高压电源单元为高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源，金属导电膜可根据需求施加高压直流电、带有电压偏置的脉冲直流或者正负脉冲形式的交流电。

采用如上所述打印系统，在打印过程中，首先调节供液单元，使喷孔11处的弯液面形状稍微内凹，其次通过高压电源单元16对墨水和移动平台18之间施加直流或交流电压，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出。

之后通过信号发生单元15对压电陶瓷2施加驱动信号，压电陶瓷2在逆压电效应的作用下会产生纵向伸缩形变，压电陶瓷2变形所产生的压力波在管道内反复叠加，使喷孔11处的墨水受到管道内周期性变化的压力波作用，弯液面呈现出周期性的外凸和内凹，喷孔11处的弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大，且压电陶瓷2振动频率和喷孔11内的弯液面振荡频率相同。在数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，其振幅达到最大值，之后振幅不随振荡次数的增加而增大。此时对高频振荡的弯液面和移动平台18之间施加一个由高压脉冲发生单元16产生的高压脉冲电场，即可实现与脉冲电场同步的喷射。通过控制脉冲电场的持续时间，即可控制喷射的次数，从而控制打印到承印面17一点上的墨滴体积。在打印过程中，当喷头10发生堵塞或者破碎之后，通过插拔的方式将已拉制好的喷头10直接安装在该结构上，从而继续进行超高频率受约束表面振荡电流体动力喷射打印，这极大降低了用户的使用成本，以及制作喷头的时间，提升了打印效率。

以下为采用片状压电陶瓷时，所制作的喷头安装及驱动结构的具体制作过程和几何参数，以及打印的情况。

实施例1：弯液面持续振荡作用下的脉冲电场按需打印

采用如图3所示的打印系统，所使用片状压电陶瓷长13mm，宽3mm，厚1mm；驱动管内径为0.87mm，外径为1.5mm，长度为30mm。两者通过环氧树脂耦合，耦合的位置位于驱动管的中间位置。所用的套筒材料为聚四氟乙烯，制作的套筒内径为1.45mm，外径为5mm，长度为10mm。采用PDMS将压电陶瓷管封装，压电陶瓷封装套的外径与套筒的外径相同。采用与驱动管相同内外径的毛细玻璃管制作喷头，通过拉制工艺所制作的喷孔大小为10μm，制作的喷头长度为20mm。高压电源单元采用高压直流电源，高压直流电源正极连接金属导电膜，另一极连接到移动平台后共同接地，信号发生单元采用信号发生器。

开始打印之前需要按照如下步骤进行准备工作，首先需要通过夹持机构将该喷头结构安装到电流体喷墨打印平台上，驱动管上端的进液口与进液软管相连；将制作的喷头通过喷头安装孔安装到该机构上；之后通过供液单元，将墨水注入喷头，随后调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，以避免在没有弯液面振荡的情况下，墨水被电应力拉出；最后对墨水和基板之间施加直流电压，观测弯液面的位置，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出，即完成了打印前的准备工作。

在打印过程中，通过信号发生器，对压电陶瓷持续施加频率为204kHz，峰峰值为5V的方波驱动信号，由于压电陶瓷周期性伸缩变形所产生的压力波在管道内的反复叠加，将使喷孔处的弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大，在短暂的数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，迅速进入高频稳定振荡模式，振荡频率与压电陶瓷激励频率同频，当在喷孔和移动平台之间施加脉冲电场时即可实现与振荡频率同频的喷射。在本实施例中，喷孔与承印物之间的距离为135μm，脉冲电场的幅值为550V，其单次射流喷射持续时间为1.5μs，单次射流体积为4.6fL。通过控制直流脉冲电场的持续时间，即可控制喷射的次数，从而控制打印到一点上的墨滴体积。

实施例2：直流电场持续作用下的脉冲串按需打印

采用如图3所示的打印系统，所使用片状压电陶瓷长13mm，宽3mm，厚1mm；驱动管内径为0.87mm，外径为1.5mm，长度为30mm。两者通过环氧树脂耦合。耦合的位置位于驱动管的中间位置。所用的套筒材料为聚四氟乙烯，制作的套筒内径为1.45mm，外径为5mm，长度为10mm。采用PDMS将压电陶瓷管封装，压电陶瓷封装套的外径与套筒的外径相同。采用与驱动管同样内外径的玻璃管制作喷头，通过毛细玻璃管拉制工艺制作的喷孔大小为13μm，制作的喷头长度为20mm。本实施例中，由信号发生器所产生的正负电压相等的方波信号作为压电陶瓷的激励信号；根据按需喷射的要求，信号发生器单次产生具有特定数量的方波，此处称之为脉冲串；由于在特定的激励频率下，弯液面振荡幅值必须超过某个特定值时，才能引起射流喷射，所以脉冲串中方波的数量以能产生单次喷射为下限。

本实施例打印前的准备工作与实施例1相同，打印过程中，所使用直流电场的幅值为600V，喷孔与承印物之间的距离为157μm，对压电陶瓷施加频率为107kHz，电压峰峰值为8.5V的方波激励信号，只需4个周期，即可诱发喷射，单次喷射体积为43fL；此时，其最大按需喷射频率约为26.75KHz，如果再增加脉冲串中方波的个数，就会增加与所增加脉冲个数相同的喷射次数。此工作模式无需在喷头和承印面之间施加高频的高压脉冲电压，可大大降低打印设备的硬件成本和控制难度。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，所述压电陶瓷固定在驱动管外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；所述喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。

2.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述压电陶瓷为贴在驱动管外壁上的片状压电陶瓷或套设在驱动管外壁上的管状压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述压电陶瓷通过环氧树脂或可固化的胶水实现与驱动管外壁的机械耦合。

4.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述驱动管为毛细玻璃管，其下端镀有一层金属导电膜且连接有导线，所述套筒侧壁上设有开口，导线从所述开口伸出。

5.根据权利要求4所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述喷头主体为与驱动管具有相同内外径的玻璃管，其下端逐渐收缩。

6.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述套筒内径小于驱动管和喷头主体的外径，以保证套筒与驱动管、喷头主体之间的紧密配合。

7.一种打印系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，还包括夹持机构、供液单元、信号发生单元以及高压电源单元，所述夹持机构用于将喷头结构固定在移动平台上方，移动平台上设有承印面，所述供液单元采用注射泵，注射泵通过进液软管与驱动管的进液端连接。

8.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述信号发生单元的两个输出端分别通过导线与压电陶瓷的正负极连接，信号发生单元为信号发生器、单片机或能够产生低压脉冲的设备。

9.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述高压电源单元正极通过导线与金属导电膜连接，负极与移动平台相连接，高压电源单元为高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源。

10.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述夹持机构包括两个合板，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，喷头结构的封装套嵌设在竖直通孔中。