一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及电流体喷印技术领域，具体涉及一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置及其控制方法。


背景技术：

2.喷墨打印作为一种无接触、无压力、无掩膜的印刷技术，可以将体积很小的液滴精确喷涂在基板位置，溶剂干燥固化后形成所需印刷图案，传统的喷墨打印技术有压电式和热发泡式等，不过这些喷墨技术均采用挤压的模式，存在着高粘度液体喷射困难、喷头堵塞、射流不稳定等问题，其打印分辨率严重受到喷嘴尺寸的限制。相对于传统喷印技术，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等多种材料，扩大了墨水的可适用范围。
3.但是在实际的喷印过程中，电流体动力喷印技术仍存在以下几个问题：
4.(1)在电流体喷印高粘度油墨时，普遍对墨水进行预加热处理，但升温会导致液体动力粘度的减小，打印后的墨水极易铺展开，导致沉积液滴尺寸增大、高宽比减小、分辨率降低；
5.(2)在打印高粘度液体或易挥发油墨时，会造成喷嘴的堵塞，在打印结束后长时间搁置时，喷头内残余油墨同样会引起下次喷射时的喷嘴堵塞；
6.(3)印刷基板必须为导电材质以接通电压后能在喷嘴与基板之间形成强电场来驱动油墨，但在印刷绝缘衬底时，金属电极针、带电液滴和绝缘衬底之间的相互作用会使原始电场扭曲，使得射流偏离预期轨迹；
7.(4)电喷印过程中的墨水通常是储存在中空的喷针内，在长时间印刷或打印大范围目标时，需要重复多次取下喷针补充油墨，此种工作方式极大地降低了工作效率。
8.现有电喷印方法中，通过增加墨液喷射后的快速降温装置来提升液滴沉积质量，但并未解决高粘度油墨堵塞喷嘴的问题；以及将静电透镜集成到打印头中的方法，但打印头结构过于复杂，增加了制造成本，且并未有效解决喷头堵塞问题和油墨持续供应问题；现有的可持续供应喷印介质的喷头也无法解决绝缘衬底的电喷印问题。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置及其控制方法，解决了电喷印中绝缘衬底的不可打印性、高粘度液体喷射困难、喷头堵塞和油墨非持续供应的问题，能够在不同电学性质的衬底上实现电喷印和图案设计，包括导电衬底和绝缘衬底，同时可长时间喷射高粘度油墨而不堵塞喷头，并可在大面积目标的电喷印过程中持续稳定地供应油墨。
10.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
11.本发明提供一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置，包括：主控机构、压电致动机构、位移放大机构、电喷印机构和油墨供应机构；
12.所述主控机构设有信号发生装置，所述信号发生装置用于输出第一低压电信号和
第二低压电信号，所述第一低压电信号用于调节压电致动机构脉冲电压，所述第二低压电信号用于调节电喷印机构高压电场；
13.所述压电致动机构设有低压放大器和压电陶瓷堆栈致动装置，所述低压放大器的输入端与信号发生装置连接，用于放大第一低压电信号，所述压电陶瓷堆栈致动装置与低压放大器输出端连接，用于根据放大后的第一低压电信号产生激励振动位移；
14.所述位移放大机构采用杠杆位移放大结构，根据杠杆支点位置分为位移放大机构杠杆短端和位移放大机构杠杆长端，所述压电陶瓷堆栈致动装置根据激励振动位移推动位移放大机构杠杆短端运动；
15.所述电喷印机构包括功率放大电源、喷嘴、第一电极针和第二电极针，所述功率放大电源与信号发生装置连接，用于放大第二低压电信号，所述功率放大电源的正极输出端与第一电极针的引出线连接，所述功率放大电源的负极输出端与第二电极针的引出线连接，所述第一电极针与第二电极针之间形成高压电场；
16.所述第一电极针的针尖可伸出喷嘴边缘，所述第一电极针的针尖与第二电极针针尖位于同一竖直方向线上，且该方向线与绝缘衬底上表面垂直，所述第一电极针与位移放大机构杠杆长端连接，所述位移放大机构杠杆长端带动第一电极针沿喷墨流道垂直上下运动；
17.所述油墨供应机构用于提供油墨至电喷印机构，所述电喷印机构基于第一电极针的往复运动和电场作用下形成射流或液滴，在绝缘衬底上形成电喷印图案。
18.作为优选的技术方案，所述位移放大机构包括位移放大杠杆、固定支轴和针固定块，所述位移放大杠杆与固定支轴连接，连接点为杠杆支点位置，根据杠杆支点位置将位移放大杠杆分为短端和长端，所述压电陶瓷堆栈致动装置根据激励振动位移推动位移放大杠杆的短端运动，从而带动位移放大杠杆的长端运动，所述位移放大杠杆的长端与针固定块连接，所述位移放大杠杆的长端带动针固定块上下运动；
19.所述第一电极针与针固定块连接，所述针固定块带动第一电极针沿喷墨流道垂直上下运动。
20.作为优选的技术方案，所述位移放大机构还设有紧锁立柱和复位弹簧，所述紧锁立柱底部与绝缘外壳固定连接，所述复位弹簧围绕紧锁立柱外侧，所述位移放大机构杠杆短端与紧锁立柱顶部设有伸缩间隙，所述复位弹簧支撑位移放大机构杠杆短端，用于提供位移放大机构初始位置的弹性恢复力。
21.作为优选的技术方案，所述压电陶瓷堆栈致动装置包括调节螺栓、固定螺母、顶帽板、压电陶瓷堆栈、内电极、外电极、底帽板和触杆；
22.所述内电极、外电极包裹压电陶瓷堆栈，并连接第一低压电信号，所述调节螺栓穿过绝缘外壳与顶帽板连接，所述顶帽板、底帽板分别与压电陶瓷堆栈连接，所述底帽板与触杆连接，所述调节螺栓用于调节压电陶瓷堆栈、顶帽板、底帽板和触杆形成的整体固定结构的高度，所述固定螺母用于固定调节螺栓；
23.所述位移放大机构杠杆短端与触杆下端形成活动触点，通过触杆的上下振动带动杠杆短端的上下运动。
24.作为优选的技术方案，所述油墨供应机构包括恒压输出装置和注射器；
25.所述恒压输出装置用于保持恒压，所述恒压输出装置输出端与注射器的输入端连
接，所述注射器的输入端设有活塞，所述注射器的输出端设有输送管，所述注射器内装有油墨液体，所述恒压输出装置驱动活塞推挤油墨液体，经输送管将油墨送至玻璃毛细管的流道内。
26.作为优选的技术方案，所述电喷印机构还设有玻璃毛细管和密封圈，所述密封圈设于玻璃毛细管一端，用于对玻璃毛细管进行密封；
27.所述第一电极针垂直设于玻璃毛细管的流道内，所述喷嘴设于玻璃毛细管末端。
28.作为优选的技术方案，所述主控机构还设有上位机，所述上位机与信号发生装置通信连接。
29.本发明还提供一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的控制方法，包括下述步骤：
30.信号发生装置输出第一低压电信号和第二低压电信号，所述第一低压电信号经低压放大器升压为电压激励信号后作用于压电陶瓷堆栈致动装置；
31.压电陶瓷堆栈致动装置受电压激励产生纵向形变位移伸张量，推动位移放大杠杆的短端，将短端位移转换为长端位移，并通过针固定块转换为第一电极针的上升移动量；
32.改变第一低压电信号的电平极性，压电陶瓷堆栈致动装置恢复形变至初始状态，位移放大杠杆的短端恢复至初始位置，所述位移放大杠杆的短端位移转换为位移放大杠杆的长端位移，通过针固定块转换为第一电极针的向下进给量；
33.所述第一电极针向下运动并伸出喷嘴边缘，第一电极针驱使喷嘴尖端形成锥形液面；
34.所述第二低压电信号经功率放大电源升压后传送至第一电极针和第二电极针，第一电极针和第二电极针的针尖之间形成电场，驱使锥形液面变形为泰勒锥后形成射流或液滴，在绝缘衬底上形成电喷印图案。
35.作为优选的技术方案，所述第一低压电信号采用周期信号驱动，所述第一低压电信号在发生高电平转向低电平时，所述第二低压电信号的变化与第一电压电信号的变化同步，同时撤去第一低压电信号和第二低压电信号，完成一个周期电点喷过程。
36.作为优选的技术方案，所述第一电极针向下运动并伸出喷嘴边缘时，所述第一低压电信号和第二低压电信号采用电平极性恒定驱动，实现液注的连续向下拉伸，完成线条印刷。
37.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
38.(1)本发明的整套电喷印装置结构简单，对于电喷印来说具有较高的稳定性，利用压电致动和静电牵引的混合驱动形式，可以喷射远小于喷嘴尺寸的高粘度液滴，并在喷头长时间静置情况下实现二次可打印性。
39.(2)本发明的压电致动机构，采用压电陶瓷堆栈的逆压电效应，可以实现脉冲信号的高频驱动，进一步实现液滴喷射的频率可控，解决了电流体喷印频率低下的弊端。
40.(3)本发明的压电致动机构采用调节螺栓调控杠杆与紧锁立柱之间伸缩间隙的大小，实现复位弹簧的初始受力大小重置，在喷印高粘度液体时，通过增大弹簧的初始受力，可以获得更大的回复力，可使第一电极针能够克服玻璃毛细管内液体粘度带来的阻力而实现上下运动。
41.(4)本发明的位移放大机构采用杠杆的放大原理，可将压电陶瓷堆栈的微小纵向
形变位移放大为第一电极针的机械运动位移，电极针的往复运动可有效解决流道内的液体堵塞喷头问题。
42.(5)本发明的电喷印机构采用第一电极针与第二电极针的电极组合，实现了绝缘衬底的电喷印，解决了目前电流体喷印只能采用导电衬底的弊端。
43.(6)本发明中的油墨供应机构，采用外部恒压控制和油墨通管输送的方案，实现了电喷印油墨的持续稳定供应，为大面积目标的电喷印图案设计提供了可能，解决了目前电流体动力喷印中反复取针充墨的繁琐步骤问题。
附图说明
44.图1为本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的各子机构数据交互示意图；
45.图2为本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的整体架构示意图；
46.图3为本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的结构示意图；
47.图4为本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的电喷印机构结构示意图；
48.图5为发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的喷嘴处液体喷射过程示意图；
49.图6为本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的控制流程示意图。
50.其中，1
‑
上位机，2
‑
信号发生装置，3
‑
低压放大器，4
‑
恒压输出装置，5
‑
功率放大电源，6
‑
调节螺栓，7
‑
固定螺母，8
‑
顶帽板，9
‑
内电极，10
‑
外电极，11
‑
压电陶瓷堆栈，12
‑
绝缘外壳，13
‑
底帽板，14
‑
触杆，15
‑
位移放大杠杆，16
‑
紧锁立柱，17
‑
复位弹簧，18
‑
活动触点，19
‑
伸缩间隙，20
‑
固定支轴，21
‑
针固定块，22
‑
密封圈，23
‑
玻璃毛细管，24
‑
第一电极针，25
‑
喷嘴，26
‑
活塞，27
‑
注射器，28
‑
输送管，29
‑
第二电极针，30
‑
绝缘衬底。
具体实施方式
51.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。
52.实施例
53.如图1所示，本实施例提供一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置，包括：主控机构、压电致动机构、位移放大机构、电喷印机构和油墨供应机构；
54.压电致动机构和电喷印机构与主控机构电连接；
55.如图2所示，主控机构包括上位机1和信号发生装置2，用于压电致动机构脉冲电压和电喷印机构高压电场的信号供给；
56.本实施例的信号发生装置可采用信号发生器或信号发生卡，与上位机间通信连接，信号发生装置可输出第一低压电信号和第二低压电信号；
57.如图3所示，压电致动机构包括低压放大器3和压电陶瓷堆栈致动装置，压电陶瓷堆栈致动装置包括调节螺栓6、固定螺母7、顶帽板8、压电陶瓷堆栈11、内电极9、外电极10、底帽板13和触杆14，用于产生脉冲电压下的激励振动位移；
58.低压放大器3的输入端与信号发生装置2的输出端电连接，用于放大第一低压电信号，低压放大器3的输出端与包裹压电陶瓷堆栈11的内、外电极电连接，压电陶瓷堆栈11由数个压电陶瓷片纵向堆叠形成，压电陶瓷堆栈受放大后的电压v1激励可产生纵向形变位移；调节螺栓6穿过绝缘外壳12与顶帽板8连接，顶帽板8、底帽板13与压电陶瓷堆栈11固定连接；触杆14的上端与底帽板13下端固定连接；调节螺栓6可调节压电陶瓷堆栈11、顶帽板8、底帽板13和触杆14形成的整体固定结构的高度，并通过固定螺母7固定整体结构；
59.在本实施例中，位移放大机构采用杠杆位移放大结构，根据杠杆支点位置分为位移放大机构杠杆短端和位移放大机构杠杆长端，压电陶瓷堆栈致动装置根据激励振动位移推动位移放大机构运动；
60.在本实施例中，位移放大机构包括位移放大杠杆15、紧锁立柱16、复位弹簧17、固定支轴20和针固定块21，用于放大脉冲电压下的激励振动位移；
61.位移放大杠杆与固定支轴20连接，连接点为杠杆支点位置，根据杠杆支点位置将位移放大杠杆分为短端和长端，位移放大杠杆短端与触杆下端形成活动触点18，通过触杆的上下振动带动位移放大杠杆15短端的上下运动，位移放大杠杆长端与针固定块21连接，通过放大作用将短端的小位移转换为长端和针固定块的上下大位移；紧锁立柱16底部与绝缘外壳12固定连接，紧锁立柱16顶部与位移放大杠杆短端底部间存在伸缩间隙19，用于位移放大杠杆与紧锁立柱间的相对运动；复位弹簧17围绕紧锁立柱16外侧，复位弹簧17上部与位移放大杠杆短端底部固定连接，或复位弹簧17上部支撑位移放大杠杆短端底部，用于提供位移放大杠杆初始位置的弹性恢复力；紧锁立柱用于固定弹簧及限制行程。
62.在本实施例中，电喷印机构包括：功率放大电源5、密封圈22、玻璃毛细管23、第一电极针24、喷嘴25、第二电极针29和绝缘衬底30，用于形成第一电极针的往复运动和强电场作用下的射流或液滴，进而在绝缘衬底上形成电喷印图案；
63.功率放大电源5的输入端与信号发生装置2的输出端电连接，用于放大第二低压电信号，功率放大电源5的正极输出端与第一电极针24的引出线电连接，功率放大电源5的负极输出端与第二电极针29的引出线电连接，可在第一电极针与第二电极针之间形成高压v2产生的强电场；
64.密封圈22设于玻璃毛细管23一端，用于对玻璃毛细管进行密封，第一电极针24垂直设于玻璃毛细管23的流道内，玻璃毛细管23末端设有喷嘴25，第一电极针24的针尖可伸出喷嘴边缘；
65.如图4所示，第一电极针24直插入玻璃毛细管23的流道内，针尖可伸出喷嘴25的边缘；将第一电极针24的针尖与第二电极针29的针尖位于同一竖直方向线上，且该方向线与绝缘衬底30上表面垂直；两电极针均固定于同一固定装置上(运动台)，两电极针均伴随运动台运动而移动，第二电极针29的针尖位置位于喷嘴正下方，二者是同步运动。
66.如图5所示，第一电极针向下运动并伸出喷嘴边缘，在液体表面张力作用下，电极针驱使喷嘴尖端形成锥形液面；第二低压电信号经功率放大电源升压为v2后加至第一电极针和第二电极针，进而在两电极针针尖之间形成强电场，驱使锥形液面变形为泰勒锥；电极针间的静电力克服液体的表面张力和粘性力，将泰勒锥尖端液体拉下形成射流或液滴，在绝缘衬底上形成电喷印图案；
67.在本实施例中，油墨供应机构包括恒压输出装置4、活塞26、注射器27和输送管28，
用于电喷印时液体的持续稳定供应。
68.恒压输出装置4用于保持恒压，恒压输出装置4的输出端与注射器27的输入端连接，注射器27的输入端设有活塞26，注射器27的输出端设有输送管28，注射器27内装有油墨液体，恒压输出装置驱动活塞推挤油墨液体，经输送管28将油墨送至玻璃毛细管的流道内。
69.本实施例的恒压输出装置可采用正负气压泵或氮气控压装置，驱动活塞向下推挤油墨液体，经输送管将油墨送至喷头流道内，可为电喷印过程持续稳定供墨。
70.本实施例的恒压输出装置保持恒压，在喷印过程中，墨量会逐渐减少，注射器内部气压会逐渐减小，这样活塞便会往下运动，驱使注射器内部空间减小，气压从而逐渐增大，始终维持注射器内部气压与恒压输出装置压力相等。
71.如图6所示，本实施例提供一种应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印装置的控制方法，包括下述步骤：
72.步骤1：主控机构输出第一低压电信号，经低压放大器升压为v1后作用于压电陶瓷堆栈；
73.步骤2：根据逆压电效应，压电陶瓷堆栈致动装置中的压电陶瓷堆栈受电压激励产生纵向形变位移伸张量，进一步推动触杆撞击位移放大杠杆短端；
74.步骤3：杠杆通过放大作用，将短端小位移转换为长端大位移，并通过针固定块进一步转换为第一电极针的上升移动量；
75.步骤4：随后压电致动器所受激励电压电平变化，压电致动器恢复形变至初始状态，位移放大杠杆短端在复位弹簧的回复力作用下向上恢复至初始位置，杠杆通过放大作用，将短端小位移转换为长端大位移，并通过针固定块进一步转换为第一电极针的向下进给量；
76.步骤5：第一电极针向下运动并伸出喷嘴边缘，在液体表面张力作用下，电极针驱使喷嘴尖端形成锥形液面；
77.电极针伸出喷嘴边缘是为了形成锥形液面，而泰勒锥是由电场作用产生的，传统的电流体打印只靠电场形成泰勒锥会产生一个问题：就是形成泰勒锥需要很长的时间，所以造成电流体打印通常只有几百hz，一般不作为电点喷，而是用来作为电纺丝，通过预形成锥形液面可以减少泰勒锥形成所需的电场能量和时间，实现高频喷射。
78.步骤6：主控机构输出第二低压电信号，经功率放大电源升压为v2后加至第一电极针和第二电极针，进而在两电极针针尖之间形成强电场，驱使锥形液面变形为泰勒锥；
79.步骤7：电极针间的静电力克服液体的表面张力和粘性力，将泰勒锥尖端液体拉下形成射流或液滴，在绝缘衬底上形成电喷印图案；
80.步骤8：开始喷印后，在一个信号周期内保持恒定，但是压电驱动信号会发生一次电平由高到低的跳变，即第一低压电信号采用周期信号驱动，用以实现电点喷的频率可控，第一低压电信号在发生高电平转向低电平时(撤去压电激励)，杠杆在复位弹簧作用下带动第一电极针回复至初始位置，且此时第二低压电信号的变化与第一电压电信号的变化同步，同时撤去第一低压电信号和第二低压电信号，使强电场消失，完成一个周期电点喷过程。
81.同时撤去第一低压电信号和第二低压电信号，杠杆在复位弹簧作用下带动第一电极针回复至初始位置；
82.步骤9：静电力消失使得喷嘴尖端泰勒锥消失，液面逐渐回复至初始状态，完成一个周期高粘度液体喷射过程。
83.在实际应用时，若要实现电纺丝的连续直写功能，只需在前述高粘度液体喷射方法的基础上采用电平极性恒定的第一低压电信号和第二低压电信号驱动，保证压电致动器所受激励电压电平不变，则第一电极针伸出喷嘴边缘位置固定不动，电场恒压不改变电平极性，则泰勒锥在第一次形成后就不会消失，实现液注的连续向下拉伸，完成线条印刷。
84.在本实施例中，第一电极针在压电致动机构和位移放大机构的共同作用下，可在毛细玻璃管的流道内做往复高频运动，克服流道内液体静置及干燥后的液体溶质积蓄现象，同时，针尖在喷嘴处的伸缩运动可防止高粘度液体无法喷出及堵塞喷嘴的情况。
85.本发明的应用于绝缘衬底的混合驱动电喷印系统用来实现绝缘衬底的电喷印图案设计，并可自由喷射高粘度油墨而不发生液体堵塞喷头现象，同时采用外部油墨供应机构为电喷印过程持续供墨，实现大面积目标电喷印制备
86.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。