一种磁场约束射流的电喷打印装置

1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种磁场约束射流的电喷打印装置。


背景技术：

2.基于电流体动力学射流喷射成形沉积技术，与传统喷印技术热喷印、压电喷印等采用“推”方式不同，喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥顶端产生极细的射流在导电喷嘴和导电衬底之间施加高压电源，利用在喷嘴和衬底之间形成的强电场力将液体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的液体会受到电致切应力的作用。当局部电荷力超过液体表面张力后，带电液体从喷嘴处喷射，形成极细的射流，喷射沉积在衬底之上，结合承片台和喷嘴工作台的运动能够实现复杂三维微纳结构的制造。
3.电喷印可以在喷嘴处形成“泰勒锥”，打印分辨率不受喷嘴直径的限制，可以实现微米、亚微米尺度的喷印。但是，传统的电流体喷印射流在到达衬底之前，易受到空气扰动、电场变化的影响，干扰射流路径，可能会导致射流飞溅、射流尺寸一致性差和射流的位置精度低等情况，影响打印精度，限制了电流体喷印技术的使用。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足之处，提供一种磁场约束射流的电喷打印装置。电喷射打印过程中，墨水在外力作用下从喷嘴喷射出来后，通过调节伸缩杆长度，控制五块磁铁距离喷针底部的位置和对喷印射流的环绕半径，改变中心磁场的强弱，调节磁场对喷印射流的约束程度，使射流聚焦或发散，从而起到辅助电场约束的作用，调节喷射沉积在衬底的三维微纳结构。所以，通过采用磁场可以达到精确控制射流目的，从而降低环境变化对电流体喷印精度的影响。该方法与单一电场控制的打印技术相比，加强了对喷印射流的控制，具有打印分辨率高，控制精度高等特点，可实现高精度、低成本的电射流打印制造。
5.本发明的技术方案：
6.一种磁场约束射流的电喷打印装置，墨水在外力作用下从喷嘴喷射出来，通过调节伸缩杆长度，控制磁铁距离喷针底部的位置和对喷印射流的环绕半径，改变中心磁场的强弱，调节磁场对喷印射流的约束程度，约束从喷针喷射出的射流，使射流聚焦或发散，从而起到辅助电场约束的作用，调节喷射沉积在衬底的三维微纳结构。
7.一种磁场约束射流的电喷打印装置，其特征在于：包括电喷射模块、可拆卸支撑模块、磁铁支撑控制模块和磁铁；所述的电喷射模块包括精密注射泵1、注射器 2、墨水 3、导管 4、喷针5和高压电源8；所述的注射器2固定在精密注射泵1上方，内装有墨水3，并通过导管4与喷针5连接；所述的高压电源8高压端连接在喷针5上，使喷针5处于高电势；所述的高压电源8接地端连接在衬底20上，使衬底20处于低电势；
8.所述的可拆卸支撑模块包括左环形套筒9、下伸缩杆底座10、上伸缩杆底座11、圆头螺栓12、连接锁扣13、右环形套筒14、螺母15、下伸缩杆16、上伸缩杆17；所述的左环形套
筒9上下两部分各有三对均匀分布的上伸缩杆底座11和下伸缩杆底座10；左环形套筒9和右环形套筒14通过圆头螺栓12、螺母15形成转动副，可绕轴自由转动；所述的连接锁扣13通过螺栓连接，使左环形套筒9和右环形套筒14套在喷针5外围；所述的上伸缩杆17底部铰接在上伸缩杆底座11中，可绕轴转动，伸缩端自由铰接在下伸缩杆16垂直转角处；所述的下伸缩杆16底部通过销钉自由铰接在下伸缩杆底座10，通过控制上伸缩杆17的伸缩长度，可以带动下伸缩杆16绕轴转动；
9.所述的磁铁18固定在下伸缩杆16的伸缩端，通过控制下伸缩杆16的伸缩长度，可以使磁铁18上下移动；所述的磁铁18共有五块，均匀环绕在射流19外围；
10.所述的磁铁支撑控制模块包括支撑装置控制器6和信号处理器7；所述的信号处理器7可以利用监控处理打印参数，并把控制信号传递给支撑装置控制器6；所述的支撑装置控制器6可以通过控制下伸缩杆16和上伸缩杆17伸缩长度，控制磁铁18位置，调节射流19；
11.采用上述装置进行磁场约束射流的电喷打印，其特征在于，步骤如下：
12.第一步射流形成
13.注射器2抽取一定体积的墨水3，精密注射泵1精准控制压力，把注射器2中的墨水3，通过导管4泵入喷针5中；高压电源8可以控制喷针5与衬底20之间的电压，墨水3在电场力、压力、重力复合作用下于喷针5喷嘴处形射流19；
14.第二步磁场约束射流
15.射流19在合力作用下离开喷针5，与此同时信号处理器7监控处理打印参数，把控制信号传递给支撑装置控制器6，实时控制调节下伸缩杆16和上伸缩杆17伸缩长度，控制磁铁18距离喷针5底部的位置和对射流19的环绕半径，改变中心磁场的强弱，调节磁场对射流19的约束程度，控制射流19路径和分散程度；当上伸缩杆17缩短时，下伸缩杆16向上旋转，磁铁18向外围移动，环绕半径变大，中心磁感线密度降低，射流19会发散；反之，当上伸缩杆17伸长时，中心磁感线密度变大，射流19在磁场力作用下会更集中；下伸缩杆16可调节磁铁18距离喷针5底部的位置；当下伸缩杆16缩短时，磁铁18上移，衬底20处的磁场会减弱，射流19会发散；当下伸缩杆16伸长时，磁铁18下移，衬底20处的磁场会增强，射流19更加集中。
16.进一步的，所述的一种磁场约束射流的电喷打印装置，其特征在于所述的墨水3为添加铁质等可通过磁场控制的金属纳米导电颗粒。
17.进一步的，所述的一种磁场约束射流的电喷打印装置，其特征在于所述的左环形套筒9和右环形套筒14可拆卸，并可通过调节连接锁扣13的松紧调节内径，适用于不同的电流体装置。
18.进一步的，所述的一种磁场约束射流的电喷打印装置，其特征在于所述的上伸缩杆底座11最大伸缩长度为8厘米，五块磁铁18的环绕内径最大可变化10厘米；所述的下伸缩杆16最大伸缩长度为12厘米，可带动磁铁18上下移动9厘米。
19.进一步的，所述的一种磁场约束射流的电喷打印装置，其特征在于所述的磁铁18采用永磁铁氧体，抗退磁性能优良，不存在氧化问题且受热温度高。
20.本发明具有的有益效果是：采用磁场约束射流的电喷打印装置，调节磁场对喷印射流的约束程度，使射流聚焦或发散，从而起到辅助电场约束的作用，调节喷射沉积在衬底的三维微纳结构。与单一电场控制的打印技术相比，加强了对喷印射流的控制，降低环境变化的影响，具有打印分辨率高，控制精度高等特点，可实现高精度、低成本的电射流打印制
造。
附图说明
21.图1是磁场约束射流的电喷打印装置简图；
22.图2是环形套筒简图；
23.图3是可拆卸支撑装置简图；
24.图4是磁铁示意图；
25.图中：1精密注射泵、2注射器、3墨水、4导管、5喷针、6支撑装置控制器、7信号处理器、8高压电源、9左环形套筒、10下伸缩杆底座、11上伸缩杆底座、12圆头螺栓、13连接锁扣、14右环形套筒、15螺母、16下伸缩杆、17上伸缩杆、18磁铁、19射流、20衬底。
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式
27.电喷射打印过程中，墨水喷射出来后，通过调节伸缩杆长度，控制磁铁距离喷针底部的位置和对喷印射流的环绕半径，改变中心磁场的强弱，调节磁场对喷印射流的约束程度，控制射流的集中和发散，调节射流在衬底上的形态。
28.一种磁场约束射流的电喷打印装置，包括电喷射模块、可拆卸支撑模块、磁铁支撑控制模块和磁铁。
29.所述注射泵1采用phd ultra系列注射泵，其可以实现高平稳、高精确的流速，流速范围为1.56pl/min-215.8ml/min，该注射泵内部的步进电机采用先进的微步距技术，在微处理器的控制下推动丝杆和推杆前进或后退，稳定精度为0.25％-0.4％，复现精度为0.05％-0.15％。所述的注射器2安装在精密注射泵1上方，内装有墨水3。所述的墨水3为加入铁粉等导磁的纳米金属类墨水，并通过导管4与喷针5连接。所述的导管4采用由聚酰亚胺包裹的石英毛细管，直径是365μm。所述的高压电源8采用电压1500-10000v，输出端连接在喷针5上，使喷针5处于高电势，高压电源8接地端连接在衬底20上，使衬底20处于低电势。
30.所述的左环形套筒9上下两部分，各有三对均匀分布的上伸缩杆底座11和下伸缩杆底座10，并且套筒可拆卸，可通过调节连接锁扣13的松紧调节内径，适用于不同的电流体喷针。左环形套筒9和右环形套筒14通过圆头m3螺栓11、螺母15形成转动副，可绕轴自由转动。所述的连接锁扣13通过螺栓连接，使套筒套在喷针5外围。所述的上伸缩杆17底部铰接在上伸缩杆底座11中，可绕轴转动，伸缩端自由铰接在下伸缩杆16垂直转角处。所述的下伸缩杆16底部通过销钉自由铰接在下伸缩杆底座10，通过控制上伸缩杆17的伸缩长度，可以带动下伸缩杆16绕轴转动。所述的伸缩杆采用微型电动推杆直流12v-17v，以实现精准传动。上伸缩杆底座11最大伸缩长度为8厘米，磁铁18的环绕内径最大可变化10厘米。所述的下伸缩杆16最大伸缩长度为12厘米，可带动磁铁18上下移动9厘米。
31.所述的磁铁18固定在下伸缩杆16的伸缩端，通过控制下伸缩杆16的伸缩长度，可以使磁铁18上下移动。所述的磁铁18共有五块，均匀环绕在射流19外围。磁铁18采用永磁铁
氧体，抗退磁性能优良，不存在氧化问题且受热温度高。
32.所述的支撑装置控制器6采用单片机系统来实现运动控制，信号处理器7在接收到传感器信号后，通过模型计算得到启电动杆的控制电压，利用监控软件反馈3d打印参数，通过支撑装置控制器6控制下伸缩杆16和上伸缩杆17伸缩长度，控制磁铁18位置，调节射流19。
33.采用上述装置进行磁场约束射流的电喷打印，步骤如下：
34.第一步形成电射流
35.精密注射泵1精准控制压力在压强30kpa-40kpa，把注射器2中的墨水3，通过导管4泵入喷针5中。高压电源8控制喷针5与打印基底之间的电压为2000v，墨水3在电场力、压力、重力复合作用下于喷针5喷嘴处形成100μm级稳定射流19。
36.第二步磁场约束射流
37.支撑装置控制器6实时调节下伸缩杆16和上伸缩杆17伸缩长度，控制磁铁18距离喷针5底部的位置和对喷印射流19的环绕半径，进而改变中心磁场的强弱，调节磁场对射流19的约束程度。当上伸缩杆17缩短时，下伸缩杆16向上旋转，磁铁18向外围移动，环绕半径变大，中心磁感线密度降低，射流19会发散。上伸缩杆17伸长时，中心磁感线密度变大，射流19在磁场力作用下会更集中。下伸缩杆16可调节磁铁18距离喷针5底部的位置，当下伸缩杆16缩短时，磁铁18上移，衬底20处的磁场会减弱，射流19会发散。当下伸缩杆16伸长时，磁铁18下移，衬底20处的磁场会增强，射流19更加集中。
38.上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。