一种低温等离子体射流3D打印系统及装置的制作方法

本发明涉及3d打印领域，尤其涉及一种低温等离子体射流3d打印系统及装置。

背景技术：

1、低温等离子体射流能够在常压条件下产生高能电子、活性粒子及紫外辐射，同时保持较低的气体温度，近年来已广泛应用于柔性电子制造、功能材料制备及生物医学等领域。随着等离子体与增材制造技术的融合，低温等离子体射流3d打印能够实现材料沉积、表面活化及化学反应的同步进行。然而，尽管该类等离子体被称为“冷等离子体”，其在持续工作过程中仍存在明显的热积累现象：一方面，高压交变电场作用下电极产生焦耳热及介质损耗热；另一方面，高温等离子体羽流与喷头内部结构持续进行热交换，导致喷头主体及喷嘴区域温度不断升高，连续打印时喷头出口附近温度通常可达100～150℃甚至更高。

2、喷头温度过高不仅易使聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷等柔性基底发生热变形或性能退化，还限制了等离子体射流在水凝胶、生物组织等温敏材料上的直接打印应用；同时，热积累还会改变等离子体放电稳定性、影响气溶胶输运及材料沉积行为，降低打印质量与重复性。现有温度控制方法虽可能涉及降低等离子气体输入功率、提高等离子气体流量或增大喷头与基底距离等工艺参数的调节，但通常将各类调节手段视为等效或可随意组合的选项，且未根据热负荷的动态特性区分调节作用的时效性与影响程度，亦未建立基于喷头温度与温升速率的多类热管理参数协同调节机制及对等离子体放电稳定性的过程约束，往往以牺牲等离子体活性粒子浓度、削弱材料处理能力为代价，难以兼顾稳定放电、有效散热及精准控温，从而制约了低温等离子体射流3d打印在连续低温打印及温敏材料打印方面的进一步发展。

技术实现思路

1、为了克服现有温度控制方法难以兼顾稳定放电、有效散热及精准控温的缺陷，本发明提出了一种低温等离子体射流3d打印系统，包括喷头，喷头内设有包括内电极和外电极的等离子体发生模块，内电极和外电极之间形成等离子体激发区，还包括：

2、气体预冷单元，设置于等离子气体进入等离子体激发区之前的输送路径上，用于调节等离子气体进入等离子体激发区时的初始温度；

3、电极冷却单元，包括供冷却介质流通的冷却通道，所述冷却通道设置于内电极和/或外电极的外周；

4、温度检测单元，用于实时检测喷头温度；

5、与温度检测单元通信连接的控制单元，被配置为：根据喷头温度和温升速率确定温度调整策略，并执行温度调整策略以使喷头维持在目标温度范围内；

6、其中，所述温度调整策略包括基于所述喷头温度和所述温升速率对稳态补偿参数、瞬态补偿参数及工艺调节参数进行联合调节的策略；

7、所述稳态补偿参数包括电极冷却单元的冷却介质流量和气体预冷单元控制的等离子气体的预冷温度，所述瞬态补偿参数包括等离子气体流量和等离子气体输入功率，所述工艺调节参数包括打印速度。

8、进一步地，所述温度调整策略包括：

9、多级次调整策略，被配置为将稳态补偿参数、瞬态补偿参数及工艺调节参数按预设优先级排序为多个调节级次，并基于实时检测到的喷头温度确定是否进入下一调节级次进行调节；

10、协同调节策略，被配置为基于稳态补偿参数确定稳态调节分量，基于瞬态补偿参数确定瞬态调节分量，并基于稳态调节分量与瞬态调节分量对喷头温度进行协同调节；

11、所述根据喷头温度和温升速率确定温度调整策略，包括：

12、当喷头温度超出目标温度范围的上限值且温升速率小于或等于预设速率阈值时，确定采用多级次调整策略；

13、当喷头温度超出目标温度范围的上限值且温升速率大于预设速率阈值时，确定采用协同调节策略；

14、在执行多级次调整策略期间，实时获取喷头的温升速率，当所述温升速率超过预设速率阈值时，将温度调整策略由多级次调整策略切换为协同调节策略，并将切换时刻的稳态补偿参数、瞬态补偿参数及工艺调节参数的当前实际取值，作为协同调节策略中相应参数的初始值。

15、进一步地，所述协同调节策略包括：

16、根据喷头温度超出目标温度范围上限值的偏差量，确定冷却介质流量调节量和预冷温度调节量，作为稳态调节分量；

17、根据温升速率确定等离子气体流量和等离子气体输入功率的基础调节量；

18、根据所述稳态调节分量的调节幅度，确定等离子气体输入功率和等离子气体流量的补偿修正量；

19、根据等离子气体流量和等离子气体输入功率的基础调节量与补偿修正量，确定等离子气体流量调节量和等离子气体输入功率调节量，作为瞬态调节分量；

20、通过稳态调节分量与瞬态调节分量对喷头温度进行调节；

21、其中，所述等离子气体流量和所述等离子气体输入功率各自的基础调节量的绝对值与所述温升速率呈单调递增关系；各补偿修正量的绝对值随所述稳态调节分量的调节幅度的增大而增大。

22、进一步地，所述根据喷头温度超出目标温度范围上限值的偏差量，确定冷却介质流量调节量和预冷温度调节量，包括：

23、根据所述偏差量确定喷头的目标热移除功率；

24、获取冷却介质当前流量与冷却介质最大允许流量的第一比值，以及预冷温度当前值与预冷温度最低允许值之间的第一温差；

25、根据所述第一比值和所述第一温差，分别确定冷却介质流量的可调裕度和预冷温度的可调裕度；

26、根据所述目标热移除功率、所述冷却介质流量的可调裕度和所述预冷温度的可调裕度，确定冷却介质流量调节量和预冷温度调节量。

27、进一步地，所述根据温升速率确定等离子气体流量和等离子气体输入功率的基础调节量，包括：

28、根据当前等离子气体流量与当前等离子气体输入功率，从多个预设的标定基准工况中选取匹配工况；其中，每个标定基准工况由一组标定等离子气体流量和标定等离子气体输入功率共同定义，并对应一组温升速率-流量映射关系和温升速率-功率映射关系；

29、根据所述温升速率，通过所述匹配工况对应的温升速率-流量映射关系确定等离子气体流量的基础调节量，并通过所述匹配工况对应的温升速率-功率映射关系确定等离子气体输入功率的基础调节量；

30、其中，每个标定基准工况对应的温升速率-流量映射关系和温升速率-功率映射关系满足等离子体维持条件；所述等离子体维持条件为：

31、对于任一温升速率，将所述等离子气体输入功率的基础调节量叠加至该标定基准工况的标定等离子气体输入功率后的功率值，与将所述等离子气体流量的基础调节量叠加至该标定基准工况的标定等离子气体流量后的流量值的比值，处于预设功率流量比区间内。

32、进一步地，所述匹配工况的选取包括：

33、针对每个标定基准工况，分别计算当前等离子气体流量与该标定基准工况对应的标定等离子气体流量之间的流量差值、以及当前等离子气体输入功率与该标定基准工况对应的标定等离子气体输入功率之间的功率差值；

34、对所述流量差值和所述功率差值分别进行归一化，得到归一化流量差值和归一化功率差值；

35、将所述归一化流量差值与归一化功率差值按各自对应的预设权重进行加权求和，得到该标定基准工况对应的综合距离；

36、选取综合距离最小的标定基准工况作为匹配工况。

37、进一步地，所述预设功率流量比区间为等离子气体输入功率与等离子气体流量之比的允许范围；所述预设功率流量比区间的下限值为使等离子体电弧不发生熄弧的最小等离子气体输入功率与等离子气体流量之比，上限值为使等离子体电弧不发生跳弧的最大等离子气体输入功率与等离子气体流量之比；所述预设功率流量比区间通过预标定确定。

38、进一步地，所述根据所述稳态调节分量的调节幅度，确定等离子气体输入功率和等离子气体流量的补偿修正量，包括：

39、根据冷却介质流量调节量确定内电极和/或外电极的壁面温度预期变化量；

40、根据预冷温度调节量确定等离子气体进入等离子体激发区时的进气温度预期变化量；

41、根据所述壁面温度预期变化量和所述进气温度预期变化量，确定等离子体激发区的热平衡偏移量；

42、根据所述热平衡偏移量，按照预设的功率分配比例和流量分配比例，分别确定等离子气体输入功率和等离子气体流量的补偿修正量。

43、进一步地，所述根据等离子气体流量和等离子气体输入功率的基础调节量与补偿修正量，确定等离子气体流量调节量和等离子气体输入功率调节量，包括：

44、将等离子气体流量的当前值、对应的基础调节量及对应的补偿修正量叠加，得到等离子气体流量初始设定值；将等离子气体输入功率的当前值、对应的基础调节量及对应的补偿修正量叠加，得到等离子气体输入功率初始设定值；

45、对等离子气体流量初始设定值和等离子气体输入功率初始设定值进行约束校验处理，得到等离子气体流量设定值和等离子气体输入功率设定值；

46、将所述等离子气体流量设定值与所述等离子气体流量的当前值之差作为所述等离子气体流量调节量，将所述等离子气体输入功率设定值与所述等离子气体输入功率的当前值之差作为所述等离子气体输入功率调节量。

47、进一步地，所述约束校验处理，包括：

48、上限校验约束：用于校验等离子气体流量初始设定值是否不超过预设流量上限，且等离子气体输入功率初始设定值是否不超过预设功率上限；

49、区间校验约束：用于校验所述等离子气体输入功率初始设定值与所述等离子气体流量初始设定值的比值是否处于预设功率流量比区间内；

50、当任一约束不满足时，按照先满足区间校验约束、再满足上限校验约束的优先级顺序，对超出约束的初始设定值进行限幅处理，得到等离子气体流量设定值和等离子气体输入功率设定值；

51、当上限校验约束和区间校验约束均满足时，将等离子气体流量初始设定值和等离子气体输入功率初始设定值分别作为等离子气体流量设定值和等离子气体输入功率设定值。

52、进一步地，所述多级次调整策略，包括：

53、将所述稳态补偿参数、所述瞬态补偿参数及所述工艺调节参数中的各个参数按预设优先级进行排序，形成多个调节级次；

54、自第一个调节级次起进行调节，并在调节过程中基于实时检测的喷头温度确定是否进入下一调节级次：

55、若喷头温度恢复至目标温度范围内，则维持当前各参数状态，结束所述多级次调整策略的执行；

56、若当前调节级次对应的参数达到其预设调节边界且喷头温度仍超出目标温度范围，则进入下一调节级次。

57、进一步地，所述多个调节级次包括按以下顺序依次排列的：

58、第一调节级次，其对应的参数为冷却介质流量；

59、第二调节级次，其对应的参数为预冷温度；

60、第三调节级次，其对应的参数为等离子气体流量；

61、第四调节级次，其对应的参数为打印速度；

62、第五调节级次，其对应的参数为等离子气体输入功率。

63、进一步地，在每一调节级次的执行过程中，包括：

64、按照该调节级次对应的预设调整步长，对当前调节级次对应的参数进行逐步调节；

65、实时检测喷头温度，并在每完成一步调节后，执行如下判定：

66、若喷头温度恢复至目标温度范围内，则保持当前各参数的值不变，结束所述多级次调整策略的执行；

67、若喷头温度仍超出目标温度范围且当前调节级次对应的参数尚未达到其预设调节边界，则继续按所述预设调整步长进行下一步调节。

68、进一步地，所述第五调节级次的执行过程，包括：

69、在逐步降低等离子气体输入功率的同时，实时检测等离子体激发区中等离子体电弧的电弧电压；

70、当所述电弧电压满足预设熄弧判定条件或预设跳弧判定条件时，停止继续降低等离子气体输入功率，并将等离子气体输入功率按预设步长逐步调节至预设稳定放电功率范围内；

71、其中，所述预设熄弧判定条件为电弧电压降至预设维持电压阈值以下且持续超过预设时长；所述预设跳弧判定条件为：电弧电压在单位时间内出现幅值超过预设幅值的阶跃变化的次数达到预设次数阈值。

72、进一步地，所述预设稳定放电功率范围为使等离子体电弧维持连续稳定燃烧的等离子气体输入功率范围；所述预设稳定放电功率范围通过标定确定；

73、所述标定包括：逐步升高等离子气体输入功率并检测电弧电压，将电弧电压首次不满足所述预设熄弧判定条件时对应的等离子气体输入功率值确定为所述预设稳定放电功率范围的下限值；继续升高等离子气体输入功率，将电弧电压首次满足所述预设跳弧判定条件时的上一个等离子气体输入功率值确定为所述预设稳定放电功率范围的上限值。

74、进一步地，所述喷头的外周还设有隔热单元，所述隔热单元包覆于所述喷头的锥形出口区域的外周面，用于阻隔等离子体激发区产生的热量向外传导。

75、本发明还提出了一种低温等离子体射流3d打印装置，包括：

76、如上文所述的低温等离子体射流3d打印系统；

77、气溶胶雾化系统，用于将多功能材料雾化形成气溶胶，并输送至所述喷头；

78、等离子电源和等离子气源，所述等离子电源与所述内电极以及所述外电极电连接；所述等离子气源与所述喷头连通，用于将等离子气体输送至所述喷头；

79、打印平台，设置在所述喷头的下方。

80、与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

81、（1）本发明提供的低温等离子体射流3d打印系统，通过控制单元根据喷头温度和温升速率确定温度调整策略并执行该策略以使喷头维持在目标温度范围内，所述温度调整策略包括基于所述喷头温度和所述温升速率对稳态补偿参数、瞬态补偿参数及工艺调节参数进行联合调节的策略，使喷头温度在散热工况变化时仍能维持在目标温度范围内，解决了现有技术难以兼顾有效散热及精准控温的技术问题。

82、（2）本发明中，控制单元根据喷头温度和温升速率确定温度调整策略：当喷头温度超出目标温度范围的上限值且温升速率小于或等于预设速率阈值时，采用多级次调整策略；当喷头温度超出目标温度范围的上限值且温升速率大于预设速率阈值时，采用协同调节策略。由此，温度调整策略的选取与喷头温度及其变化趋势相匹配，兼顾了调节的平稳性与响应速度。同时，在执行多级次调整策略期间，若实时获取的温升速率超过预设速率阈值，则切换为协同调节策略，并以切换时刻各相关参数的当前实际取值作为协同调节策略的初始值，避免参数突变，保证调节过程的连续性与平滑性。

83、（3）本发明中，协同调节策略通过基于喷头温度超出目标温度范围上限值的偏差量确定冷却介质流量调节量和预冷温度调节量作为稳态调节分量；基于温升速率确定等离子气体流量和等离子气体输入功率的基础调节量，并进一步根据稳态调节分量的调节幅度确定等离子气体输入功率和等离子气体流量的补偿修正量以形成瞬态调节分量，实现了基于稳态调节分量与瞬态调节分量的协同调节。该方式使瞬态调节分量能够补偿稳态调节分量所引起的热平衡偏移，提高了温度调节的精度与响应速度。

84、（4）本发明通过预设功率流量比区间对等离子气体输入功率与等离子气体流量的比值进行约束，其中预设功率流量比区间的下限值为使等离子体电弧不发生熄弧的最小等离子气体输入功率与等离子气体流量之比，上限值为使等离子体电弧不发生跳弧的最大等离子气体输入功率与等离子气体流量之比，并在确定等离子气体流量设定值和等离子气体输入功率设定值时执行约束校验处理，按照先满足区间校验约束、再满足上限校验约束的优先级顺序进行限幅处理，确保温度调节过程中等离子体放电稳定性不受破坏，解决了现有技术缺乏在调节过程中对等离子体放电稳定性的过程约束的问题。

85、（5）本发明中，多级次调整策略按照“对打印过程影响越小、调节优先级越高”的原则，将冷却介质流量、预冷温度、等离子气体流量、打印速度及等离子气体输入功率依次排列为多个调节级次。该方式使温度调节时优先动用对打印过程影响最小的参数，仅在前一级次调节量不足时才逐级动用影响更大的参数，从而在保证喷头温度得到有效调节的同时，使调节过程对打印过程的介入最小化，保障了打印质量的稳定性与一致性。

86、（6）本发明在第五调节级次中，通过实时检测等离子体激发区中等离子体电弧的电弧电压，当电弧电压满足预设熄弧判定条件或预设跳弧判定条件时，停止继续降低等离子气体输入功率，并将等离子气体输入功率按预设步长逐步调节至预设稳定放电功率范围内，有效防止了功率过度降低所导致的熄弧现象，确保在温度调节的最末级次中仍能维持等离子体电弧的连续稳定燃烧，保障了连续打印过程的连续性与打印质量的重复性。