一种喷针共轴的纳米打印装置

1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种喷针共轴的纳米打印装置。


背景技术：

2.微纳制造是近几十年发展起来先进制造技术，在航空航天、轨道交通、能源电力、生物医疗等领域发挥出了重要的作用。采用微纳米技术制备的传感器、执行器等高性能器件具有集成度高、灵敏度高、选择性强等特点，在可穿戴医疗、环境监测、精密定位等方面具有广泛的应用前景。打印技术是一种重要的微纳制造方法，具有可编程度高、无需模板、加工周期短等优势，在制备上述器件中体现了重要的价值。在众多打印技术中，电流体喷印是一种新兴的增材制造技术，具有材料适应广、分辨率高、成本低等突出特点，在制备微纳米结构与器件上表现出了应用潜力。目前，电流体喷印设备多采用单一喷针，获得的射流尺寸多为微米或亚微米，难以制备出纳米结构。采用内外喷针结合的方式，利用内外液体的相互作用，可以获得纳米射流。这一过程需要内外喷针保持一定的空间位置关系，目前调节内外喷针位置多采用螺丝顶针，多为手动调节，这在一定程度上限制了内外喷针的位置关系及射流的尺度。


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，发明一种喷针共轴的纳米打印装置。首先，将内喷针上下两端套上磁性套，内喷针依次插入顶端夹具、底端夹具、外喷头，通有电的磁性套实现电磁转换，产生与磁环相同的磁性，带有磁性套的内喷针在磁环同性磁力排斥下发生移动，内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上，实现内喷针与外喷头共轴，电源向内喷头、外喷头提供高电压，内液和外液带有电荷，两种溶液同时受到电场力，并相互约束形成纳米射流，实现纳米打印。此装置具有定位精度高、结构简单、成本低等优点。
4.本发明采用的技术方案是：
5.一种喷针共轴的纳米打印装置，其特征在于，采用的打印装置包括运动调节模块、悬浮共轴模块、纳米打印模块；所述的运动调节模块包括平台、y轴步进电机、电脑、y运动轴、x运动轴、x轴步进电机、z运动轴、z轴步进电机、定位柱；所述的平台固定在水平面上，位于设备最下方；所述的y轴步进电机和y运动轴配合在一起，并固定在平台上，提供y方向运动；所述的x运动轴和x轴步进电机配合在一起，并固定在y运动轴上方，提供x方向运动；所述的z运动轴和z轴步进电机配合在一起，竖直固定在平台上；所述的定位柱安装在z运动轴上，用于限位z运动轴到平台的距离；
6.所述的悬浮共轴模块包括底端夹具、内喷针、顶端夹具、共轴定位相机、连接板、下绝缘板、外喷头、上绝缘板、精调位移台、上磁性套、顶端磁环、底端磁环、下磁性套和间隙；所述的连接板安装在定位柱上，可在z运动轴的带动下移动；所述的下绝缘板固定在连接板上，所示的底端夹具安装在下绝缘板上；所述的下绝缘板、连接板、底端夹具在同一平面内；所述的外喷头安装在底端夹具的下方；所述的精调位移台固定在连接板上方；所述的上绝
缘板固定在精调位移台上；所述的顶端夹具固定在上绝缘板上；所述的上绝缘板、精调位移台、顶端夹具在同一平面内；所属的顶端磁环固定在顶端夹具内侧；所属的底端磁环固定在底端夹具内侧；所属的顶端磁环和底端磁环通电后产生磁性；所示的内喷针上下两端分别套有上磁性套和下磁性套；所述的间隙位于上磁性套和顶端磁环之间，也位于底端磁环和下磁性套之间；共轴定位相机位于顶端磁环正上方；
7.所述的纳米打印模块包括高速相机、绝缘平板、光源、绝缘柱、实验平台、电源、内液、内液注射器、内液泵、外液、外液注射器、外液泵；所述的绝缘平板固定在x运动轴上；所述的绝缘柱垂直固定在绝缘平板的四个角上；所述的光源位于绝缘平板的一侧；所述的实验平台位于四个绝缘柱组成的平面上；所述的含有内液的内液注射器固定在内液泵上；所述的含有外液的外液注射器固定在外液泵上；所述的电源为y轴步进电机、x轴步进电机、z轴步进电机、内喷针、外喷头提供电压；高速相机位于外喷头的一侧；
8.采用上述装置进行喷针共轴的纳米打印，其特征在于，步骤如下：
9.第一步，实现内喷针与外喷头共轴
10.打开电源开关，向x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机供电，在x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机的运动下，对实验平台复位；移动精调位移台，并带动顶端夹具移动，使顶端夹具内孔和底端夹具内孔的轴线在一条直线上；将上磁性套和下磁性套分别套在内喷针上下两端；带有上磁性套、下磁性套的内喷针依次插入顶端夹具内孔、底端夹具内孔，并穿过外喷头；向顶端磁环、底端磁环通电，顶端磁环、底端磁环实现电磁转换，并使顶端磁环与上磁性套带有相同磁性，底端磁环与下磁性套带有相同磁性；此时，带有上磁性套、下磁性套的内喷针在顶端磁环、底端磁环的同性磁力排斥下发生移动，内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上，内喷针与顶端夹具、底端夹具产生间隙，实现内喷针与外喷头共轴；
11.第二步，喷针共轴纳米打印
12.内液注射器吸入内液，并在内液泵的推压下进入内喷头中；外液注射器吸入外液，并在外液泵的推压下进入外喷头中；电源向内喷头、外喷头提供高电压，此时内液和外液带有电荷，两种溶液同时受到电场力，并相互约束形成纳米射流；高速相机观察射流行为；配合y轴步进电机、x轴步进电机、z轴步进电机的运动，纳米射流沉积到实验平台上，实现纳米打印。
附图说明
13.图1是本发明实施例中的一种喷针共轴的纳米打印装置简图。
14.图2是本发明实施例中的共轴喷针单元正视图。
15.图3是本发明实施例中的共轴喷针上端的截面图。
16.图4是本发明实施例中的套有磁性套的内喷针。
17.图中：1平台、2高速相机、3 y轴步进电机、4电脑、5 y运动轴、6 x运动轴、7 x轴步进电机、8绝缘平板、9光源、10绝缘柱、11实验平台、12电源、13底端夹具、14内喷针、15顶端夹具、16共轴定位相机、17 z运动轴、18 z轴步进电机、19内液、20内液注射器、21内液泵、22定位柱、23外液、24外液注射器、25外液泵、26连接板、27下绝缘板、28外喷头、29上绝缘板、30精调位移台、31上磁性套、32顶端磁环、33底端磁环、34下磁性套、35间隙。
具体实施方式
18.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4。
19.本实施例公开了一种喷针共轴的纳米打印装置。首先，将内喷针上下两端套上磁性套，内喷针依次插入顶端夹具、底端夹具、外喷头，通有电的磁性套实现电磁转换，产生与磁环相同的磁性，带有磁性套的内喷针在磁环同性磁力排斥下发生移动，内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上，实现内喷针与外喷头共轴，电源向内喷头、外喷头提供高电压，内液和外液带有电荷，两种溶液同时受到电场力，并相互约束形成纳米射流，实现纳米打印。
20.具体的讲，在本实例中，所述的一种喷针共轴的纳米打印装置，其特征在于，采用的打印装置包括运动调节模块、悬浮共轴模块、纳米打印模块；所述的运动调节模块包括平台1、y轴步进电机3、电脑4、y运动轴5、x运动轴6、x轴步进电机7、z运动轴17、z轴步进电机18、定位柱22；所述的金属平台1固定在水平面上，位于设备最下方；所述的y轴步进电机3和y运动轴5配合在一起，并用螺栓固定在平台1上，提供y方向运动，速度范围0-1000mm/s；所述的x运动轴6和x轴步进电机7配合在一起，并固定在y运动轴5上方，提供x方向运动，速度范围0-1000mm/s；所述的z运动轴17和z轴步进电机18配合在一起，竖直固定在平台1上；所述的定位柱22安装在z运动轴17上，用于限位z运动轴17到平台1的距离，z运动轴17的移动范围为0-500mm；
21.所述的悬浮共轴模块包括底端夹具13、内喷针14、顶端夹具15、共轴定位相机16、连接板26、下绝缘板27、外喷头28、上绝缘板29、精调位移台30、上磁性套31、顶端磁环32、底端磁环33、下磁性套34和间隙35；所述的金属连接板26安装在定位柱22上，可在z运动轴17的带动下移动，移动范围为0-1000mm；所述的下绝缘板27为pmma材质，固定在连接板26上，所示的底端夹具13安装在下绝缘板27上；所述的下绝缘板27、连接板26、底端夹具13在同一平面内；所述的外喷头28安装在底端夹具13的下方；所述的精调位移台30固定在连接板26上方；所述的上绝缘板29为pmma材质，固定在精调位移台30上；所述的顶端夹具15固定在上绝缘板29上；所述的上绝缘板29、精调位移台30、顶端夹具15在同一平面内；所属的顶端磁环32固定在顶端夹具15内侧；所属的底端磁环33固定在底端夹具13内侧；所属的顶端磁环32和底端磁环33通电后产生磁性；所示的内喷针14上下两端分别套有上磁性套31和下磁性套34；所述的间隙35位于上磁性套31和顶端磁环32之间，也位于底端磁环33和下磁性套34之间；共轴定位相机16位于顶端磁环32正上方；
22.所述的纳米打印模块包括高速相机2、绝缘平板8、光源9、绝缘柱10、实验平台11、电源12、内液19、内液注射器20、内液泵21、外液23、外液注射器24、外液泵25；所述的绝缘平板8固定在x运动轴6上；所述的绝缘柱10为四个，材质为pi，垂直固定在绝缘平板8的四个角上；所述的光源9位于绝缘平板8的一侧；所述的实验平台11位于四个绝缘柱10组成的平面上；所述的含有内液19pzt的内液注射器20固定在内液泵21上；所述的含有外液23硅油的外液注射器24固定在外液泵25上；所述的电源12输出电压范围为0-10000v，向y轴步进电机3、x轴步进电机7、z轴步进电机18、内喷针14、外喷头28提供电压；高速相机2位于外喷头28的一侧；
23.采用上述装置进行喷针共轴的纳米打印，其特征在于，步骤如下：
24.第一步，实现内喷针与外喷头共轴
25.打开电源12开关，向x轴步进电机7、y轴步进电机3、z轴步进电机16供电，在x轴步进电机7、y轴步进电机3、z轴步进电机16的运动下，对实验平台11复位；移动精调位移台30，并带动顶端夹具15移动，使顶端夹具15内孔和底端夹具13内孔的轴线在一条直线上；将上磁性套31和下磁性套34分别套在外直径为320微米的内喷针14上下两端；带有上磁性套31、下磁性套34的内喷针14依次插入顶端夹具15内孔、底端夹具13内孔，并穿过外喷头28；向顶端磁环32、底端磁环33通电，顶端磁环32、底端磁环33实现电磁转换，并使顶端磁环32与上磁性套31带有相同磁性，底端磁环33与下磁性套34带有相同磁性；此时，带有上磁性套31、下磁性套34的内喷针14在顶端磁环32、底端磁环33的同性磁力排斥下发生移动，内喷针14悬浮在顶端夹具15、底端夹具13中心线上，内喷针14与顶端夹具15、底端夹具13产生0.5-10mm的间隙35，实现内喷针14与外喷头28共轴；
26.第二步，喷针共轴纳米打印
27.容量为10ml的内液注射器20吸入5ml内液19，并在内液泵21的推压下进入内直径为100微米内喷头29中；外液注射器24吸入外液23，并在外液泵25的推压下进入直径为330微米的外喷头28中；电源12向内喷头29、外喷头28提供1000-8000v高电压，此时内液19和外液23带有电荷，两种溶液同时受到电场力，并相互约束形成直径为20-90nm的纳米射流；高速相机2观察射流行为；配合y轴步进电机3、x轴步进电机7、z轴步进电机18的运动，纳米射流沉积到实验平台11上，实现纳米打印。