一种用于实现电流体喷射工艺在线切换的装置

1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种用于实现电流体喷射工艺在线切换的装置。


背景技术：

2.微纳结构由于其突出的性能，已应用在多个领域，如生物医疗、组织工程、新能源、微纳传感器、柔性显示等。近年来，微纳结构逐渐从一维向二维、三维方向拓展，包括点阵结构、纳米线结构、纳米花结构等复杂结构，这些微纳复杂结构的制备方法发挥了重要的作用。
3.基于电流体喷射的制造装置，包括电喷印、电纺丝、电雾化三种喷射工艺的装置，在制备微纳结构中具有突出的潜能和优势。其中电喷印由于其高分辨率和强扩展性等优点，非常适合于复杂和高精度结构的制备；电纺丝由于其设备经济、材料适应性广、纤维直径小且均匀等优点，已经用于制备数百种天然和合成聚合物的纤维；电雾化由于其成本低、效率高、颗粒尺寸范围大、工艺灵活等优点，使其成为制备微纳米薄膜沉积或微纳米颗粒的重要途径。
4.电喷印、电纺丝、电雾化三种喷射工艺都基于电流体喷射原理，由于每种工艺受到参数(如电压参数、墨水流量参数、衬底与喷嘴间距、墨水性质)的影响，故目前无法在同一装置上同时实现三种喷射工艺。若需要同时使用三种喷射工艺制备复杂微纳结构，将面临多个设备协同工作、工艺步骤复杂、制备周期长等挑战。


技术实现要素：

5.本发明为了克服上述挑战，发明了一种用于实现电流体喷射工艺在线切换的装置。首先基于电流体动力学原理形成电流体喷射，接着微纳相机将实时拍摄的图像以信号形式传输给电脑，电脑将该图像信号和电喷印或电纺丝或电雾化三种喷射工艺的标准图像进行对比，并传输布尔量至工艺切换器，工艺切换器实时检测实验内各项参数，并利用内置算法计算出电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为最佳打印高度，并根据接收到的布尔量选择稳定打印高度或调整至最佳打印高度，工艺切换器将计算的最佳高度以流体压力信号形式传输给流体控制器，流体控制器通过控制升降器高度，实时控制电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为，最后利用万向转动器实现衬底的三维任意方向转动。此电流体喷射工艺在线切换的装置通过检测与计算实验参数，实时控制打印高度，实现电喷印或电纺丝或电雾化三种电流体喷射工艺的在线切换；通过衬底三维任意方向的转动控制与运动平台的调整，实现不同微纳结构的制备。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一种用于实现电流体喷射工艺在线切换的装置，包括运动平台、流体输送管、流体控制器、万向转动控制器、工艺切换器、微纳相机、电脑、精密高压电源、精密注射泵、微量注射器、功能墨水、连接软管、喷针、喷针夹持环、喷射行为、衬底、万向转动器、升降器；
8.所述的精密注射泵上方固定有微量注射器，微量注射器装有功能墨水，微量注射器通过连接软管与喷针连通；借助精密注射泵的推压力，功能墨水被送至喷针出口处；所述的喷针固定在喷针夹持环上；所述喷针夹持环导电性良好；所述的精密高压电源输出端连接着喷针夹持环，精密高压电源通过喷针夹持环向喷针施加合适的高电压，使喷针与衬底之间产生电场，喷针出口处的功能墨水在电场力、重力、墨水表面张力/介电力/粘滞力的综合作用下形成喷射行为；所述的喷射行为为电喷印或电纺丝或电雾化，形成在喷针与衬底间；
9.所述的电脑分别与运动平台、万向转动控制器、微纳相机、精密高压电源和精密注射泵有线连接，与工艺切换器通信连接，用于控制打印参数、选择喷射工艺和对比图像信号；电脑接收到微纳相机传输的图像信号后，将该图像信号与电喷印或电纺丝或电雾化三种喷射工艺的标准图像进行对比，并传输布尔量至工艺切换器；所述的工艺切换器实时接收到各项实验参数与实验前输入的功能墨水性质后，利用内置算法计算出电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为最佳打印高度，并根据接收到的布尔量选择稳定打印高度或调整至最佳打印高度；工艺切换器将流体压力信号发送给流体控制器，流体控制器通过流体输送管与升降器密封连接，改变流体输送管内的流体压力，利用不同的流体压力控制升降器的升降，实时控制电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为，实现电喷印或电纺丝或电雾化三种电流体喷射工艺的在线切换；所述的工艺切换器由流体控制器流体压力、工艺切换器内置算法、电脑传输的布尔量、精密高压电源电压参数、精密注射泵流量参数和功能墨水性质的共同决定；所述的万向转动器、升降器的运动参数由衬底上的微纳结构特征、工艺切换器的切换频率共同影响。
10.所述的微纳相机固定在衬底斜上侧，与电脑有线连接，用于实时反馈电喷印、电纺丝、电雾化喷射行为的切换状态和图像信号；所述的万向转动器与万向转动控制器相连，并通过向万向转动控制器传输信号，实时改变转动速度和方向；所述的万向转动器与升降器通过机械装配进行连接，可实现三维任意方向的转动，衬底固定在万向转动器上方，随之转动，转动的速度和方向不同，可获得不同的微纳结构。
附图说明：
11.图1是本发明实施例中的电流体喷射工艺在线切换的装置示意图。
12.图2是本发明实施例中切换电流体喷射工艺的示意图。
13.图3是本发明实施例中三维方向旋转衬底的示意图。
14.图中：1运动平台、2流体输送管、3流体控制器、4万向转动控制器、5工艺切换器、6微纳相机、7电脑、8精密高压电源、9精密注射泵、10微量注射器、11打印墨水、12连接软管、13喷针、14喷针夹持环、15喷射行为、16衬底、17万向转动器、18升降器。
具体实施方式
15.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。
16.本实施例公开了一种用于实现电流体喷射工艺在线切换的装置。
17.具体地讲，在本实施例中，该装置包括运动平台1、流体输送管2、流体控制器3、万向转动控制器4、工艺切换器5、微纳相机6、电脑7、精密高压电源8、精密注射泵9、微量注射
器10、打印墨水11、连接软管12、喷针13、喷针夹持环14、喷射行为15、衬底16、万向转动器17、升降器18。
18.所述的精密注射泵9上方固定有微量注射器10，微量注射器10装有打印墨水11，微量注射器10通过连接软管12与喷针13连通；所述的喷针13固定在喷针夹持环14上；所述的精密高压电源8输出端连接着喷针夹持环14，喷针夹持环14将适量高电压输送至打印墨水11中；所述的喷射行为15形成在喷针13与衬底16间；所述的微纳相机6固定在衬底16斜上侧，实时观测电喷印、电纺丝、电雾化三种喷射行为15；
19.所述电脑7分别与运动平台1、万向转动控制器4、微纳相机6、精密高压电源8和精密注射泵9有线连接，与工艺切换器5通信连接，用于控制打印参数、选择喷射工艺和对比图像信号；
20.所述的工艺切换器5分别与喷针夹持环14、精密注射泵9和电脑7相连，用于实时接收电压参数、流量参数和电脑7传输的布尔量，根据电流体喷射参数匹配和结构制造需求，工艺切换器5实现电流体喷射工艺的在线切换；所述的流体控制器3与工艺切换器5通信，接收工艺切换器5发出的流体压力信号，并通过流体输送管2与升降器18连接，用于控制喷针13与衬底16间距；所述的万向转动控制器4与万向转动器17相连，用于控制衬底16的三维旋转；所述的万向转动器17装配于升降器18上方；所述的衬底16固定于万向转动器17上方；所述运动平台1位于升降器18下方，用于进行x-y方向的运动。
21.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
22.采用上述装置进行电流体喷射工艺在线切换的制造，包括以下步骤：
23.第一步，电流体喷射的形成
24.首先在运动平台1上依次安装升降器18、万向转动器17和厚度为0.2-300μm的衬底16，运动平台1运动速度范围0.002-400mm s-1
、加(减)速度范围0.5-300mm s-2
，安装方式为真空吸附或机械装配，定位精度高于6μm；精密注射泵9上固定量程为10-1500μl的微量注射器10，在微量注射器10吸入一定量的打印墨水11后，通过连接软管12将微量注射器10与不锈钢或石英材质的喷针13相连，喷针13内径为0.04-400μm，借助精密注射泵9的推压力，打印墨水11以0.1-600μl/min被送至喷针13出口处，喷针13固定在厚度为0.2-20mm的喷针夹持环14上，所述喷针夹持环14导电性良好；最大量程为10-50kv的精密高压电源8通过喷针夹持环14向喷针13施加0.4-45kv的高电压，使喷针13与衬底16之间产生电场，喷针13出口处的打印墨水11在电场力、重力、墨水表面张力/介电力/粘滞力的综合作用下形成喷射行为15，喷射行为15结合运动平台1的运动可在衬底16上形成不同的微纳结构。
25.第二步，电流体喷射工艺的切换
26.实验前先将所测打印墨水11的性质输入至工艺切换器5；电脑7用于控制打印参数、选择喷射工艺和对比图像信号，微纳相机6与电脑7有线连接，用于实时反馈电喷印、电纺丝、电雾化喷射行为15的切换状态和图像信号，电脑7接收到微纳相机6传输的图像信号后，将该图像信号与电喷印或电纺丝或电雾化三种喷射工艺的标准图像进行对比，并传输布尔量至工艺切换器5；工艺切换器5分别与喷针夹持环14、精密注射泵9和电脑7连接，用于实时获取实验中的电压参数、打印墨水11流量参数和布尔量；工艺切换器5实时接收到各项实验参数与实验前输入的打印墨水11性质后，利用内置算法计算出电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为15最佳打印高度，并根据接收到的布尔量选择稳定打印高度或调整至最佳打
印高度；工艺切换器5将流体压力信号发送给流体控制器3，流体控制器3通过橡胶或橡塑材质的流体输送管2与运动速度范围0.003-500mm s-1
、加(减)速度范围1.5-400mm s-2
的升降器18密封连接，改变流体输送管2内的流体压力，利用不同的流体压力控制升降器18的升降，实时控制电喷印或电纺丝或电雾化的喷射行为15，实现电喷印或电纺丝或电雾化三种电流体喷射工艺的在线切换。
27.第三步，三维方向旋转衬底
28.万向转动控制器4与万向转动器17连接，万向转动器17转动速度范围0.01-200mm s-1
、加(减)速度范围3-200mm s-2
、垂直转动角度范围15
°‑
75
°
，万向转动器17与升降器18通过机械装配进行连接，可实现三维任意方向的转动，衬底16固定在万向转动器17上方，随之转动，转动的速度和方向不同，可获得不同的微纳结构；电脑7分别与运动平台1、微纳相机6和万向转动控制器4连接，用于传输x-y方向运动参数信号，实时接收微纳相机6拍摄到的不同微纳结构，并通过向万向转动控制器4传输信号，实时改变衬底16的转动速度和方向。