一种变径疏通电射流打印方法与流程

1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种变径疏通电射流打印方法。


背景技术：

2.打印技术，又称增材制造技术，它是一种以数字模型为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的新型技术，具有快速成型，无需模板等优势。打印设备中的喷头，是关键部件，不仅影响打印结构特征，还关系到打印过程的稳定性。喷头在工作过程中，不可避免的会发生堵塞。如墨水中功能颗粒的团聚或沉降，会诱发出大直径的颗粒，在注射泵推力下，较大直径的颗粒会被推入喷针内，引起喷头堵塞，导致打印设备不能正常工作。传统的喷头疏通方式有机械振动和喷头清理等方式，机械振动方式可以直接将喷头放入振动环境中，利用共振效应将大直径颗粒破碎；而清理喷嘴方式，需要将喷头从打印设备上拆解下来，通过加热或机械导通的方式疏通喷头。机械振动方式虽然简单，但是将喷头置入振动环境中，在小颗粒被粉碎的同时，功能墨水的稳定性也会受到影响；喷头清理需要将喷头从打印设备拆解下来，不仅工艺繁琐，而且不易操作，特别当喷孔内径较小时，疏通更加困难。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足，发明一种变径疏通电射流打印方法。首先利用流体压力将功能墨水以固定的流速运输至喷针口处，接着在打印衬底和喷头之间施加高电压，喷针口处功能墨水在电场力、重力、表面张力的复合作用下形成精细射流；喷头堵塞后，夹持平台通过喷头夹具带动喷头旋转90
°
到达预定位置，利用压电陶瓷(也称pzt)驱动喷针上的压条和紧固件，实现喷针内径的调节，最终疏通堵塞的喷针。此变径疏通电射流打印方法具有成本低、适用性广等优点。
4.本发明采用的技术方案是：
5.一种变径疏通电射流打印方法，所用的打印装置包括电喷打印模块、变径疏通模块、运动控制模块。首先，该装置利用注射泵对注射器施加压力，将注射器中的功能墨水挤压到储墨器中，同时在注射器推力的作用下，储墨器中的功能墨水以某一固定的流速流至喷针口后，在打印衬底和喷头之间施加高压电场，喷针处功能墨水在电场力、重力的作用下形成精细射流。在打印的过程中，当喷头发生堵塞后，夹持平台通过喷头夹具带动喷头旋转90
°
到达预定位置，利用压电陶瓷的逆压电效应，给两个压电陶瓷施加合适的电压，压电陶瓷输出的位移直接作用到压条上，压条口径变大会引起紧固件内径变大，喷针由弹性材料拉制成型，在弹力的作用下，喷针内径会变大，从而使喷针内大直径颗粒顺利流出，喷针疏通以后，给压电陶瓷施加反方向的电压，通过压条和紧固件将喷针的内径缩小；夹持平台通过喷头夹具带动喷头反向旋转90
°
，恢复到初始位置继续打印。
6.所述的电喷打印模块包括注射泵、注射器、功能墨水、密封导管、喷头、储墨器、连接管、喷针、喷头夹具、电压控制器；所述的注射泵由交流电源供电，注射器夹紧固定在注射泵上，注射泵通电将注射器中的功能墨水挤出，注射器的针头一端和喷头上端通过密封导
管连接；所述喷头由储墨器、连接管、喷针组成，喷头通过喷头夹具定位夹紧，储墨器用特殊材料制成用来存储功能墨水，连接管由弹性材料制成，连接管上端和储墨器以过盈方式连接，下端和喷针连接，实现功能墨水的稳定流通，喷针由弹簧钢拉制成型，其尖端呈锥形，具有摩擦系数低，孔径可调等优点；所述电压控制器提供交流电源，电压输出范围可调，其输出端与喷头夹具导电部分相连接。
7.所述的变径疏通模块包括夹持平台、紧固件-i、紧固件-ii、压条-i、压条-ii、压电陶瓷-i、压电陶瓷-ii、废料槽；所述的夹持平台通过喷头夹具将喷头定位夹紧，夹持平台可以带动喷头旋转，也可以带动喷头上下移动，来调节喷头和打印衬底之间的距离；所述的紧固件-i和紧固件-ii采用弹性材料制成，且内径可调，将其分别套在喷针的上端和下端；所述压条-i和压条-ii由塑性材料制成，受到拉力以后不可变形，将其分别捆绑在紧固件-i和紧固件-ii外表面，压条-i和压条-ii尾端分别与压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii输出端连接；所述压电陶瓷-i，压电陶瓷-ii具有逆压电效应，给压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii正负极施加电压，可使其在与电势差垂直的方向上产生位移，输出的位移通过压条-i和压条-ii传递给紧固件，紧固件口径变化实现对喷针内径的调节；所述电压控制器提供交流电，电压输出范围可调，通过调节电压控制器的输出电压，来调节压电陶瓷输出的位移；所述废料槽置于喷头旋转90
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下方，用来装堵塞的功能墨水。
8.所述运动控制模块包括打印衬底、运动平台、电脑控制器、高清ccd相机。所述的打印衬底用来承接喷针喷印出的结构，打印衬底的下端用绝缘螺钉与垫圈固定在运动平台上，使之能跟随运动平台做相同的运动；所述的运动平台由交流电源供电，可以实现在x-y两个方向的运动；所述的高清ccd相机与打印区域对准，利用高清ccd相机测量打印衬底的空间形貌，由usb数据线将其观测的数据传给电脑控制器，电脑控制器通过程序，控制运动平台在x-y平面内运动速度和轨迹，同时也可以通过夹持平台实时调整喷针和打印衬底之间的距离。
9.一种变径疏通电射流打印方法，步骤具体如下：
10.第一步，多物理场复合下射流的形成
11.在运动平台上放置打印衬底并且将其夹紧固定，通过高清ccd相机识别出打印衬底的空间形貌，用usb数据线将所测得信息传输给电脑控制器，电脑控制器实时调整喷头和打印衬底之间的距离。通过注射泵将功能墨水注入喷头中，喷头夹紧固定在喷头夹具上，喷头夹具通过夹持平台夹持，喷头可随喷头夹具在垂直方向移动，实现喷印高度的调节，通过控制注射泵对注射器施加的压力，来调节功能墨水的流速，为了获得精细射流，在喷头夹具和打印衬底之间引入电场，打开电压控制器，高压电源通过导电喷头夹具向喷头施加高电压，此时在喷头与打印衬底之间形成强电场力，喷头内的功能墨水受到电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等作用，上述参数相互协调，最终形成远小于喷针内径的稳定射流，根据预先设置好打印的图案，电脑控制器自动控制运动平台在x-y方向的移动，从而实现精确打印。
12.第二步，调节喷针内径疏通喷头
13.随着打印的进行，功能墨水会出现沉积现象，在注射泵推力的作用下，较大直径的颗粒会被推入喷针内，引起喷针堵塞，影响设备正常运转。在打印过程中高清ccd相机实时监测打印过程，当喷针被堵塞时，高清ccd相机通过usb数据线将所测得的信息传给电脑控
制器，电脑控制器通过程序控制注射泵停止对注射器施加压力，同时夹持平台通过喷头夹具带动喷头旋转90
°
到达预定位置，利用压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii的逆压电效应，给其施加合适的电压，压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii输出的位移直接作用到压条-i和压条-ii上，压条-i和压条-ii口径变大会引起紧固件-i和紧固件-ii内径变大，从而减小对喷针的束缚，喷针由弹性材料拉制成型，在弹力的作用下，喷针内径会变大，从而使喷针内大直径颗粒顺利流到下方的废料槽内，给压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii施加大小不同的电压，可实现喷针内径跨尺度调节。喷针疏通以后，给压电陶瓷-i和压电陶瓷-ii施加反方向的电压，通过压条-i，压条-ii，紧固件-i和紧固件-ii将喷针的内径缩小，夹持平台通过喷头夹具带动喷头反向旋转90
°
，恢复到初始位置继续打印。
14.本发明的有益效果为：一种变径疏通电射流打印方法，实现了打印喷头变径快速疏通。利用高清ccd相机测量打印衬底的空间形貌，电脑控制器可根据打印衬底形貌特征，实时调节喷头在垂直方向上的位置；功能墨水在电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等综合作用下，形成精细射流；打印过程中喷头堵塞以后，夹持平台通过喷头夹具带动喷头旋转90
°
到达预定位置，利用压电陶瓷的逆压电效应，给两个压电陶瓷施加合适的电压来实现不同位移的输出，输出的位移通过压条和紧固件传递，最终实现喷针内径的调节，从而疏通堵塞的喷针。此电射流打印方法具有成本低、适用性广等优点。
附图说明
15.图1是本发明实施例中变径疏通电射流打印装置的简图。
16.图2是本发明实施例中实现喷头旋转90
°
装置简图。
17.图3是本发明实施例中实现喷针变径疏通装置简图。
18.图中：1注射泵、2注射器、3功能墨水、4密封导管、5喷头、501储墨器、502连接管、503喷针、6喷头夹具、7夹持平台、8紧固件-i、9紧固件-ii、10压条-i、11压条-ii、12压电陶瓷-i、13压电陶瓷-ii、14打印衬底、15运动平台、16电脑控制器、17高清ccd相机、18电压控制器、19废料槽。
具体实施方式
19.以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图3。
20.本实施例公开了一种变径疏通电射流打印方法是利用一种变径疏通电射流打印装置实现的，所述的装置包括电喷打印模块、变径疏通模块和运动控制模块三部分。首先，利用高清ccd相机测量打印衬底的空间形貌，电脑控制器根据打印衬底形貌特征，调节喷头在垂直方向上的位置；功能墨水在电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力等综合作用下获得精细射流；在打印过程中喷头堵塞以后，夹持平台通过喷头夹具带动喷头旋转90
°
到达预定位置，利用压电陶瓷的逆压电效应，给两个压电陶瓷施加合适的电压，来实现不同位移的输出，输出的位移通过压条和紧固件传递，最终实现喷针内径的调节，从而使喷针内的堵塞颗粒顺利流出。
21.所述的电喷打印模块包括注射泵1、注射器2、功能墨水3、密封导管4、喷头5、储墨器501、连接管502、喷针503、喷头夹具6、电压控制器18；所述的注射泵1由220v的交流电源供电，注射器2夹紧固定在注射泵1上，注射泵1通电将注射器2中的功能墨水3挤出，注射器2
的针头一端和喷头5上端通过密封导管4连接；所述喷头5由储墨器501、连接管502、喷针503组成，喷头5通过喷头夹具6定位夹紧，储墨器501用特殊材料制成，用来存储功能墨水3，连接管502由弹性材料制成，连接管502上端和储墨器501以过盈方式连接，下端和喷针503连接，实现功能墨水3的稳定流通，喷针503由弹簧钢拉制成型，其尖端呈锥形，具有摩擦系数低，孔径可调等优点；所述电压控制器18提供交流电源，电压输出范围可调，其输出端与喷头夹具6导电部分相连接。
22.所述的变径疏通模块包括夹持平台7、紧固件-i8、紧固件-ii9、压条-i10、压条-ii11、压电陶瓷-i12、压电陶瓷-ii13、废料槽19；所述的夹持平台7通过喷头夹具6将喷头5定位夹紧，夹持平台7可以带动喷头5旋转，也可以带动喷头5上下移动，来调节喷头5和打印衬底16之间的距离；所述的紧固件-i8和紧固件-ii9采用弹性材料制成，且内径可调，将其分别套在喷针503的上端和下端；所述压条-i10和压条-ii11由塑性材料制成，受到拉力以后不可变形，将其分别捆绑在紧固件-i8和紧固件-ii9外表面，压条-i10和压条-ii11尾端分别与压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13输出端连接；所述压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13具有逆压电效应，给压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13正负极施加电压，可使其在与电势差垂直的方向上产生位移，输出的位移通过压条-i10和压条-ii11，传递给紧固件-i8和紧固件-ii9，紧固件口径变化实现对喷针503内径的调节；所述电压控制器18提供交流电，电压输出范围可调，通过调节电压控制器18的输出电压，来调节压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13输出的位移；所述废料槽19置于喷头5旋转90
°
下方，用来装堵塞的功能墨水3。
23.所述的运动控制模块包括打印衬底14、运动平台15、电脑控制器16、高清ccd相机17；所述的打印衬底14用来承接喷针503喷印出的结构，打印衬底14的下端用绝缘螺钉与垫圈固定在运动平台15上，使之能跟随运动平台15做相同的运动；所述的运动平台15由220v交流电源供电，可以实现在x-y两个方向的运动；所述的高清ccd相机17与打印区域对准，利用高清ccd相机17测量打印衬底14的空间形貌，由usb数据线将其观测的数据传给电脑控制器16，电脑控制器16通过程序控制运动平台15运动速度和轨迹。
24.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
25.采用上述装置进行变径疏通电射流打印，具体实施步骤如下：
26.第一步，多物理场复合下射流的形成
27.在运动平台16上放置厚度为0.5-200μm的打印衬底14，并且将其夹紧固定；通过高清ccd相机17探测出打印衬底14的形貌，所述高清ccd相机17的刷新率为75hz-120hz，用usb数据线将所测得信息传输给电脑控制器16，电脑控制器16实时调整喷头5和打印衬底14之间的距离；注射泵1上方固定有量程为5-150μl的注射器2，注射器2通过密封导管4与喷头5上端连接，通过对注射器2施加压力，将功能墨水3注入储墨器501中，所述注射泵1对注射器2施加10-2000n压力，调节功能墨水3的流速为0.1-1000μl/min；喷头5夹紧固定在喷头夹具6上，喷头夹具6通过夹持平台7夹持，喷头5可随喷头夹具6在垂直方向移动，实现喷印高度的调节；为了获得精细射流，在喷头夹具6和打印衬底14之间引入电场，打开电压控制器18，所述电压控制器18的电压调节范围为100-2800v，通过导电喷头夹具6向喷头5施加适当高电压，此时在喷头5与打印衬底14之间形成强电场力；喷头5内的功能墨水3受到电场力、重力、溶液表面张力/介电力/粘滞力的综合作用，上述参数相互协调，最终在喷针503处形成直径为0.5-50μm稳定射流。
28.第二步，调节喷针内径疏通喷头
29.随着打印的进行，功能墨水3出现沉积现象，在注射泵1推力的作用下，较大直径的颗粒会被推入喷针503内，引起喷针503堵塞，影响设备正常运转；在打印过程中高清ccd相机17实时监测打印过程，当喷针503被堵塞后，高清ccd相机17将信息传给电脑控制器16，电脑控制器16通过plc程序控制注射泵1停止对注射器2施加压力，同时夹持平台7通过喷头夹具6带动喷头5旋转90
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到达预定位置，其旋转速度为0.1-10rad/s；压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13的压电系数为7.9μm/100v，利用压电陶瓷逆压电效应，给压电陶瓷-i12施加0-150v电压，给压电陶瓷-ii13施加0-150v电压，压电陶瓷-i12输出0-11.5μm位移，压电陶瓷-ii13输出0-11.5μm位移；产生的位移输出使压条-i10内径变化范围为0.3μm-0.6μm，压条-ii11内径变化范围为0.18μm-0.5μm；压条-i10和压条-ii11内径变化会引起紧固件-i8和紧固件-ii9内径的变化，紧固件-i8内径变化范围为0.3μm-0.6μm，紧固件-ii9内径变化范围为0.18μm-0.5μm；喷针503由弹性材料拉制成型，在弹力的作用下，喷针503内径变化范围为0.18μm-0.5μm，从而使喷针503内大直径颗粒顺利流到下方的废料槽19内；喷针503疏通以后，给压电陶瓷-i12和压电陶瓷-ii13施加反方向的电压，通过压条-i10，压条-ii11和紧固件-i8，紧固件-ii9将喷针503的内径缩小，夹持平台7通过喷头夹具6带动喷头5反向旋转90
°
，恢复到初始位置继续打印。