一种电场约束的横向电射流打印方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术为一种电场约束的横向电射流打印方法及装置，所述打印方法包括以下内容：墨水在驱动电场力的作用下从喷针喷射出横向射流；设置约束电场，所述约束电场作用在横向射流的油墨的电场力能够抵消油墨的重力，使射流沿水平精确沉积到预定位置；最后配合三维运动平台实现侧表面微纳结构打印。该方法具有材料适用性广、打印分辨率高、控制精度高等优点，能够快速、高质量、低成本实现侧表面微纳结构电射流打印制造。打印制造。打印制造。

【技术实现步骤摘要】
一种电场约束的横向电射流打印方法及装置


[0001]本专利技术属于先进制造技术、微纳制造
，具体涉及一种电场约束的横向电射流打印方法。

技术介绍

[0002]电射流打印技术(E
‑
Jet)是利用电场力将液体油墨拉伸成直径为微米甚至纳米级的射流或液滴并沉积在目标表面。其工作过程为：在喷针与基底间施加高压驱动电场，油墨首先在进给压力、重力与表面张力的共同作用下，在喷针出口处形成弯月状液滴，称为弯月面，随着驱动电压增大，弯月面在驱动电场力的作用下拉伸成圆锥状，称为泰勒锥，并最终突破表面张力，喷射出微米甚至纳米尺度的射流，配合三维运动平台实现微纳尺度结构的打印。与传统的光刻、激光烧结等微纳制造方法相比，电射流打印技术具有工艺简单灵活、材料适用性广、对目标表面要求低的优点。因此电射流打印技术被广泛应用于各种微纳加工领域，如微流控芯片、微纳尺度电极制造。
[0003]受重力的影响，目前所有电射流打印系统均为竖直方向，无法满足在物体侧表面打印微纳结构的要求，如非线性相控阵横波阵元侧面电极制备。但是，若直接将电射流打印系统水平放置，横向射流与打印的结构会在重力的影响下偏离预定位置，严重影响横向电射流打印的成形质量。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述侧表面微纳结构电射流打印的不足，提供一种电场约束的横向电射流打印方法。横向电射流打印过程中，墨水在驱动电场力的作用下从喷针喷射出横向射流后，根据油墨密度与横向射流尺寸的不同，通过改变约束电场的场强与极性来调整约束电场力的大小与方向，控制对横向射流的约束程度，从而起到抵消重力的作用，使横向射流精确沉积到预定位置，最后配合三维运动平台实现侧表面微纳结构打印。该方法具有材料适用性广、打印分辨率高、控制精度高等优点，能够快速、高质量、低成本实现侧表面微纳结构电射流打印制造。
[0005]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案为：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种电场约束的横向电射流打印方法，所述打印方法包括以下内容：墨水在驱动电场力的作用下从喷针喷射出横向射流；
[0007]设置约束电场，所述约束电场作用在横向射流的油墨的电场力能够抵消油墨的重力，使射流沿水平精确沉积到预定位置；
[0008]最后配合三维运动平台实现侧表面微纳结构打印。
[0009]优选地，在油墨横向射流的起点与终点同高度分别安装激光传感器，激光传感器实时检测横向射流的起点和终点的高度差；
[0010]约束电场控制程序是：设置约束电场的电压调节步长k及高度差阈值h0，实时获取横向射流的起点和终点的高度差。
[0011]给定约束电场的初始场强，获取高度差，根据高度差按照设定的电压调节步长k实时调整约束电场的场强，直至将高度差控制在设定的高度差阈值h0范围内为止，记录此时的约束电场强度和极性；
[0012]在约束电场控制程序确定的当前油墨横向射流打印所需的电场强度和极性约束下进行侧表面微纳结构打印。
[0013]进一步优选地，所述高度差阈值h0为不大于100μm，当高度差在(
‑
h0，h0)范围内时，输出约束电场强度和极性；所述电压调节步长k在10
‑
100V范围内调整。
[0014]优选地，首先按照步长k0逐渐施加约束电场，并实时计算高度差；判断高度差是否大于第一高度差阈值h1内，若大于则设置电压调节步长为第一电压调节步长k1；若不大于第一高度差阈值h1，则判断高度差是否大于第二高度差阈值h2，若大于则设置电压调节步长为第二电压调节步长k2；若不大于第二高度差阈值h2，则判断高度差是否大于第三高度差阈值h3，若大于则设置电压调节步长为第三电压调节步长k3，直至射流高度差达到(
‑
h0，h0)范围内；
[0015]所述k0为500V，k1、k2、k3在10
‑
100V范围内取值；h为没有施加约束电场约束时射流起止点的高度差；h1取h/2、h2取h/5、h3取h/10；所述高度差为起点的高度
‑
终点的高度，高度差为正值时按步长增加约束电场强度，高度差为负值时按步长减小约束电场强度。
[0016]本专利技术中所述电压调节步长的设置也能根据油墨的导电性能选择，导电性差的电压调节步长取值较大。
[0017]第二方面，本专利技术提供一种电场约束的横向电射流打印装置，包括X
‑
Y
‑
Z三维运动平台和加热模块，所述的X
‑
Y
‑
Z三维运动平台包括X运动轴1、Y运动轴2、Z运动轴3、控制器4，所述打印装置还包括横向电射流打印模块和约束电场发生模块；所述的加热模块包括温控器18和加热板22；
[0018]所述的横向电射流打印模块包括鲁尔针头转接器8、直角喷针9、针头夹具10、软管11、注射器13、微量进给泵14和高压驱动电场发生电源15；所述的鲁尔针头转接器8和直角喷针9通过螺纹连接；所述的高压驱动电场发生电源15高压端与直角喷针9连接，接地端与目标物体5连接，使直角喷针9与目标物体5间产生电势差；所述的注射器13固定在微量进给泵14上，注射器内装有油墨12，注射器通过软管11与鲁尔针头转接器8连接；直角喷针9的竖直段与鲁尔针头转接器8连接，直角喷针的水平段朝向目标物体，水平段的末端为直角喷针的出口；
[0019]所述约束电场发生模块包括高压约束电场发生电源17、近端激光发生器20、远端激光发生器21、电极板23、近端激光接收器24、远端激光接收器25和绝缘垫26；所述的高压约束电场发生电源17的高压端与电极板23连接，接地端与目标物体5连接，使电极板23与直角喷针9带有相同极性的电场；
[0020]所述的近端激光发生器20与近端激光接收器24放置于射流起点处，远端激光发生器21和远端激光接收器25放置于射流终点处；
[0021]所述高压约束电场发生电源17、近端激光发生器20、远端激光发生器21、近端激光接收器24、远端激光接收器25均与约束控制单元电性连接，用于根据激光检测结果调整约束电场场强；
[0022]在Z运动轴上固定安装L型连接板27，所述L型连接板的竖直面与Z运动轴固定，水
平面上承载电极板、绝缘垫、加热板和目标物体5；
[0023]在L型连接板27的水平面上自下而上依次设置加热板22和绝缘垫26，所述绝缘垫远离Z运动轴的一侧设置用于放置电极板23的槽，所述电极板置于绝缘垫的槽中，绝缘垫未开槽一侧固定目标物体。
[0024]进一步地，所述直角喷针的水平段末端到目标物体的距离为毫米级别；所述打印装置还设置有CCD高速相机，用于实时监测射流形态；所述约束控制单元为PC机、电脑或MCU单片机等。
[0025]X运动轴1和Y运动轴2采用SURUGASEIKIKXL06050系列运动轴，运动行程0
‑
50mm，运动速度0
‑
30mm/s，分辨率0.2μm，重复定位精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电场约束的横向电射流打印方法，其特征在于，所述打印方法包括以下内容：墨水在驱动电场力的作用下从喷针喷射出横向射流；设置约束电场，所述约束电场作用在横向射流的油墨的电场力能够抵消油墨的重力，使射流沿水平精确沉积到预定位置；最后配合三维运动平台实现侧表面微纳结构打印。2.根据权利要求1所述的电场约束的横向电射流打印方法，其特征在于，在油墨横向射流的起点与终点同高度分别安装激光传感器，激光传感器实时检测横向射流的起点和终点的高度差；约束电场控制程序是：设置约束电场的电压调节步长k及高度差阈值h0，实时获取横向射流的起点和终点的高度差。给定约束电场的初始场强，获取高度差，根据高度差按照设定的电压调节步长k实时调整约束电场的场强，直至将高度差控制在设定的高度差阈值h0范围内为止，记录此时的约束电场强度和极性；在约束电场控制程序确定的当前油墨横向射流打印所需的电场强度和极性约束下进行侧表面微纳结构打印。3.根据权利要求2所述的电场约束的横向电射流打印方法，其特征在于，所述高度差阈值h0为不大于100μm，当高度差在(
‑
h0，h0)范围内时，输出约束电场强度和极性；所述电压调节步长k在10
‑
100V范围内调整。4.根据权利要求2所述的电场约束的横向电射流打印方法，其特征在于，首先按照步长k0逐渐施加约束电场，并实时计算高度差；判断高度差是否大于第一高度差阈值h1内，若大于则设置电压调节步长为第一电压调节步长k1；若不大于第一高度差阈值h1，则判断高度差是否大于第二高度差阈值h2，若大于则设置电压调节步长为第二电压调节步长k2；若不大于第二高度差阈值h2，则判断高度差是否大于第三高度差阈值h3，若大于则设置电压调节步长为第三电压调节步长k3，直至射流高度差达到(
‑
h0，h0)范围内；所述k0为500V，k1、k2、k3在10
‑
100V范围内取值；h为没有施加约束电场约束时射流起止点的高度差；h1取h/2、h2取h/5、h3取h/10；所述高度差为起点的高度
‑
终点的高度，高度差为正值时按步长增加约束电场强度，高度差为负值时按步长减小约束电场强度；所述电压调节步长的设置也能根据油墨的导电性能选择，导电性差的电压调节步长取值较大。5.一种电场约束的横向电射流打印装置，包括X
‑
Y
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Z三维运动平台和加热模块，所述的X
‑
Y
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Z三维运动平台包括X运动轴、Y运动轴、Z运动轴、控制器，其特征在于：所述打印装置还包括横向电射流打印模块和约束电场发生模块；所述的加热模块包括温控器和加热板；所述的横向电射流打印模块包括鲁尔针头转接器、直角喷针、针头夹具、软管、注射器、微量进给泵和高压驱动电场发生电源；所述的鲁尔针头转接器和直角喷针通过螺纹连接；所述的高压驱动电场发生电源高压端与直角喷针连接，接地端与目标物体连接，使直角喷针与目标物体间产生电势差；所述的注射器固定在微量进给泵上，注射器内装有油墨，注射器通过软管与鲁尔针头转接器连接；直角喷针的竖直段与鲁尔针头转接器连接，直角喷针的水平段朝向目标物体，水平段的末端为直角喷针的出口；所述约束电场发生模块包括高压约束电场发生电源、近端激光发生器、远端激光发生
器、电极板、近端激光接收器、远端激光接收器和绝缘垫；所述的高压约束电场发生电源的高压端与电极板连接，接地端与目标物体连接，使电极板与直角喷针带有相同极性的电场；所述的近端激光发生器与近端激光接收器放置于射流起点处，远端激光发生器和远端激光接收器放置于射流终点处；所述高压约束电场发生电源、近端激光发生器、远端激光发生器、近端激光接收器、远端激光接收器均与约束控制单元电性连接，用于根据激光检测结果调整约束电场场强；在Z运动轴上固定安装L型连接板，所述L型连接板的竖直面与Z运动轴固定，水平面上承载电极板、绝缘垫、加热板和目标物体；在L型连接板的水平面上自下而上依次设置加热板和绝缘垫，所述绝缘垫远离Z运动轴的一侧设置用于放置电极板的槽，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程娥，朱烨明，程立金，胡宁，丁湘燕，杨超，程业红，毕晓阳，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：