一种多模式的电流体动力学喷射成形设备及控制方法与流程

本发明涉及电流体动力学喷射成形技术领域，尤其涉及一种多模式的电流体动力学喷射成形设备及控制方法。

背景技术：

电流体动力学射流成形技术是在基板和喷头之间施加高压电压，在电场力的作用下，移动电荷在液体表面聚集，电荷库仑力导致液体表面产生切应力，在剪切力的作用下，溶液在喷嘴处形成泰勒锥，随着电场强度增加，电场作用力克服液体表面张力，在锥体顶端产生射流，喷射液体直径通常为喷嘴直径的0.02～0.1倍，产生微纳米级的射流或液滴，从而实现高分辨率成形图案。电流体动力学射流成形技术由于具有设备简单、成本低、效率高、可使用的材料广、无需掩模、直接成形等优点，在微纳制造方面具有巨大的潜能和突出优势，是制造微纳米结构器件的一种新型制造技术，在新材料、新能源、微纳传感器、柔性电子、微纳光学器件、微流控器件、微纳机电系统、航空航天、组织工程、生物医疗等众多领域和行业制备功能器件具有广泛的应用前景。

功能器件具有点、线和薄膜等不同的结构类型，功能器件制备所用的基板有柔性介质基板、硬质基板和曲面基板等不同的类型，现有的电流体动力学喷射成形设备只能实现点、线和薄膜等结构中的一种结构以及柔性介质基板、硬质基板和曲面基板的一种承载基板的功能器件的单一模式制备。因此，通过电流体动力学射流成形技术制备功能器件设备主要存在的缺点：电流体动力学射流成形设备的成形模式单一，无法实现点、线、薄膜等不同类型结构以及不同承载基板的功能器件的按需制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有的电流体动力学喷射成形设备难以满足电流体动力学喷射成形按需制备多种不同类型的功能器件的难题，提出一种多模式的电流体动力学喷射成形设备，突破现有的电流体动力学喷射成形设备单一模式制备单一类型功能器件的局限。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种多模式的电流体动力学喷射成形设备，可形成多种喷射成形的方式，从而实现不同结构类型和不同承载基板类型的多种功能器件的制备，其特征在于，该喷射成形装置包括机架，所述机架上设有承载平台，所述承载平台的中间设置豁口槽；

喷液模块，所述喷液模块通过x轴滑移机构以及z轴滑移机构设置在承载平台上，且其设有用于喷射溶液的喷液机构，用于喷射溶液到基板上以进行图案成形；

平台转换机构，所述平台转换机构通过y轴滑移机构设置在承载平台上；

所述平台转换机构包括左右对称可滑移设置在y轴滑移机构上的支撑件，所述两个支撑件之间设置转轴，沿转轴周向分布若干个图案成形平台，所述图案成形平台可随转轴转动而改变位置，所述转轴由交流伺服电机进行驱动。

所述喷液模块包括固定底座以及沿z轴方向设置喷液机构，所述喷液机构包括固定座、可拆卸设置在固定座上的注射器，在所述固定座的上端设置可滑移的操作机构，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合。

所述固定底座沿喷液机构设置方向的两侧分别设置光源与相机。

所述相机通过调节机构固定设置在所述固定底座上。

所述承载平台上设有半圆形安装槽，所述平台转换机构置于该半圆形安装槽内。

所述图案成形平台的两侧设有滑槽，在所述滑槽内设置可滑移的销钉，在所述半圆形安装槽内设置若干具有凹槽的定位件，所述销钉与所述定位件的凹槽构成定位配合。

所述定位件的数量与所述图案成形平台的数量相一致，且其中一个定位件的位置位于半圆形安装槽的内侧端点，并使得图案成形平台在销钉与该定位件定位之后位于喷液机构的正下方。

所述图案成形平台通过叶片与所述转轴连接，且在所述转轴上依次设有电磁脱扣机构。

所述电磁脱扣机构包括垂直转轴设置的阶梯销，设置在阶梯销与转轴之间的弹簧以及用于吸合阶梯销的电磁铁，所述阶梯销具有与所述叶片限位配合的第一位置和与所述叶片取消限位的第二位置。

所述图案成形平台为多滚筒图案成形平台、双转台图案成形平台、真空吸盘图案成形平台以及单滚筒图案成形平台中的一种或多种；

通过控制喷液机构和基板间距、喷液机构与基底之间施加的电压，转动所述的平台转换机构可实现按需选择所需要的图案成形平台，实现电流体动力学喷射成形设备的多模式喷射成形；

其中多滚筒图案成形平台的功能是在柔性基板上进行图案成形，喷液机构在柔性薄膜上图案成形，成形完成后由伺服电机带动卷膜装置将成形图案的薄膜部分卷到卷膜装置的收集滚筒上。卷膜装置由送料滚筒、收集滚筒和两个张紧滚筒组成，所述两个张紧滚筒将柔性薄膜撑开成一个平面，进行喷射成形。同时，两个张紧滚筒之间的距离可调，由此可以控制收膜步距。

双转台图案成形平台可以在曲面基板上进行图案成形，通过a轴转动装置和c轴转动装置以及喷液机构的平移运动可以改变双转台图案成形平台与喷液机构之间的距离实现对曲面基板的图案成形。

真空吸盘图案成形平台的抽气孔与抽气泵相连，使图案成形平台上产生真空，在图案成形过程中通过真空吸附力的作用将基板固定在平台上，方便安装基板和取下成形完成后的产品。

所述单滚筒图案成形平台由电磁线圈和转动图案成形机构组成，喷射溶液在电场作用下，喷头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，以电磁线圈控制纤维细丝的运动方向，转动滚筒将落下的纤维细丝收集起来。

本发明还提供了一种基于上述多模式的电流体动力学喷射成形设备的控制方法，其步骤如下：

(1)根据待成形的图案以及待制备的功能器件类型，选择成形图案的基板材料或收集滚筒，包括柔性基板、硬质平面基板、曲面基板和收集滚筒；

(2)根据所选择的基板或收集滚筒，选用所需要的图案成形平台，包括多滚筒图案成形平台、双转台图案成形平台、真空吸盘图案成形平台和单滚筒图案成形平台；

(3)确定所选用的图案成形平台的转动角度，控制器对转轴的交流伺服电机进行旋转运动控制，从而驱动所选用的图案成形平台旋转到喷液机构下方的水平位置，其速度控制方法如下：

(a)图案成形平台转动过程需要经历加速阶段、匀速阶段和减速阶段三个阶段，根据图案成形平台的转动角度，计算图案成形平台旋转运动的线性角速度为：

式中ωi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度，ωi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度，α为图案成形平台转动的角加速度，t为插补周期，ωm为图案成形平台转动的最大角速度；

(b)对图案成形平台转动的线性角速度进行平滑预处理，得到角速度的平滑预处理值为：

pi＝λωi+(1-λ)pi-1

式中pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)，ωi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度，pi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度的平滑预处理值；

(c)对图案成形平台转动的线性角速度进行平滑处理，得到角速度的平滑值为：

hi＝λpi+(1-λ)hi-1

式中hi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)，pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，hi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度的平滑值；

(d)计算图案成形平台旋转运动的平滑角速度，得到平滑角速度为：

式中为图案成形平台转动的第i个插补周期的平滑角速度，pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，hi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)，

图案成形平台从初始位置由静止开始，按照平滑角速度进行平稳加速旋转运动、匀速旋转和平稳减速旋转运动三个阶段，最后图案成形平台平稳的停止在喷液机构下方的水平位置；

(4)通过控制器控制y轴滑移机构进行直线运动，使图案成形平台停止在喷液机构的正下方；

(5)根据上述选用的图案成形平台和图案成形的基板，设置工艺参数，如调整所述喷头和基板之间的距离、调节喷头与基板之间施加的电压值，并通过控制器控制相应的运动，进行待成形图案的喷射成形，从而实现点、线、薄膜等不同类型结构以及不同承载基板的功能器件的按需制备。

本发明设置可转动的平台转换机构，通过转动平台转换机构可实现按需选择所需要的图案成形平台，实现电流体动力学喷射成形设备的多模式的喷射成形，满足不同图案成形的需求，从而实现点、线、薄膜等不同类型结构以及不同承载基板的功能器件的按需制备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图1。

图2为本发明的结构示意图2。

图3为本发明的喷液模块的结构示意图。

图4为图3中a处的放大示意图。

图5为本发明的喷液模块的正视图。

图6为本发明的平台转换机构的结构示意图。

图7为本发明的图案成形平台的结构示意图。

图8为本发明的半圆形安装槽的结构示意图。

图9为本发明的图案成形平台的结构示意图。

图10为本发明的多滚筒图案成形平台的结构示意图。

图11为本发明的双转台图案成形平台的结构示意图。

图12为本发明的真空吸盘图案成形平台的结构示意图。

图13为本发明的单滚筒图案成形平台的结构示意图。

图14为本发明的图案喷射成形流程图。

图15为本发明的图案成形平台旋转运动的线性角速度图。

图16为本发明的图案成形平台旋转运动的平滑角速度图。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图所示，本发明公开了一种多模式的电流体动力学喷射成形设备，其包括：

机架1，所述机架外设有外壳2，且在外壳上设有可开启的箱门3，在箱门闭合时，实现对内部环境的密封处理，保证喷印过程中不会受外部的环境影响，且在机架底部设置若干风扇，对内部进行散热；

而在机架1的竖直面上装设有x轴滑移机构6，在所述x轴滑移机构上设置z轴滑移机构7，所述机架上的水平面设有承载平台，所述承载平台的中间设置豁口槽，沿豁口槽两侧设置y轴滑移机构；

喷液模块4，所述喷液模块通过x轴滑移机构以及z轴滑移机构设置在承载平台13上方，且其设有用于喷射溶液的喷液机构，用于喷射溶液到基板上以进行图案成形；

平台转换机构5，所述平台转换机构通过y轴滑移机构14设置在承载平台上；

所述平台转换机构5包括左右对称可滑移设置在y轴滑移机构上的支撑件15，所述两个支撑件之间设置转轴17，沿转轴周向分布若干个图案成形平台，所述图案成形平台可随转轴转动而改变位置，所述转轴由交流伺服电机进行驱动，即可以通过转动图案成形平台，并将该图案成形平台固定在所述喷液机构的正下方，即将图案成形平台上的基板垂直所述喷液机构设置。

所述图案成形平台为多滚筒图案成形平台18、双转台图案成形平台21、真空吸盘图案成形平台19以及单滚筒图案成形平台20中的一种或多种，通过控制喷液机构和基板间距、喷液机构与基底之间施加的电压，转动所述的平台转换机构可实现按需选择所需要的图案成形平台，实现电流体动力学喷射成形设备的多模式喷射成形。

其中多滚筒图案成形平台的功能是在柔性基板上进行图案成形，喷液机构在薄膜27上成形，图案成形完成后由伺服电机带动卷膜装置26将成形图案的薄膜部分卷到卷膜装置的收集滚筒上。卷膜装置26由送料滚筒、收集滚筒和两个张紧滚筒组成，所述两个张紧滚筒将柔性薄膜撑开成一个平面，进行喷射成形。同时，两个张紧滚筒之间的距离可调，由此可以控制收膜步距

双转台图案成形平台21可以在曲面基板上进行图案成形，通过a轴转动装置28和c轴转动装置29以及喷液机构的平移运动可以改变双转台图案成形平台与喷液机构之间的距离实现对曲面基板的图案成形。

真空吸盘图案成形平台的抽气孔29与抽气泵相连，使图案成形平台上产生真空，在图案成形过程中通过真空吸附力的作用将基板固定在平台上，方便安装基板和取下成形后的产品。

单滚筒图案成形平台由电磁线圈31和转动图案成形机构30组成，喷射溶液在电场作用下，喷头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，以电磁线圈控制纤维细丝的运动方向，转动滚筒将落下的纤维细丝收集起来。

所述喷液模块包括固定底座以及沿z轴方向设置喷液机构。

所述喷液机构包括固定座、可拆卸设置在固定座上的注射器8，在所述固定座的上端设置可滑移的操作机构9，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合，采用注射器，可以明确获取的打印介质的数量，通过操作机构带动注射器的柱塞部件，实现喷墨的动作，而且可以通过控制操作机构的移动速度，可以改变注射器的柱塞部件的按压力度，实现精确控制喷墨量。

所述固定底座沿喷液机构设置方向的两侧分别设置光源10与相机11，所述相机通过调节机构12固定设置在所述固定底座上，光源设置在一侧，而相机则设置在另一侧，而且该调节机构可以采用x、y、z轴三相微调结构，实现对相机的摆放位置的微调，且设置一个弧形轨道，而将相机装设在该弧形轨道上，实现对相机的角度调节。

所述承载平台上设有半圆形安装槽16，所述平台转换机构置于该半圆形安装槽内，所述图案成形平台的两侧设有滑槽，在所述滑槽内设置可滑移的销钉22，在滑槽的末端设置塞子，避免销钉脱落，在所述半圆形安装槽内设置若干具有凹槽的定位件23，所述销钉与所述定位件的凹槽构成定位配合，作为一个实施例，定位件为4个，两个位于半圆形安装槽的两端，而另外两个则等距分布在半圆形安装槽的圆弧上，在使用时只需转动图案成形平台，将需要使用的图案成形平台两侧的销钉固定在定位件的凹槽内，来实现固定。

所述图案成形平台通过叶片与所述转轴连接，且在所述转轴上依次设有电磁脱扣机构，所述电磁脱扣机构包括垂直转轴设置的阶梯销，设置在阶梯销与转轴之间的弹簧以及用于吸合阶梯销的电磁铁，所述阶梯销具有与所述叶片限位配合的第一位置和与所述叶片取消限位的第二位置。

使用单作用电磁铁来控制图案成形平台与转轴25之间的固定或相对运动关系。当用于固定图案成形平台的销钉22进入定位件的凹槽时，电磁铁通电，阶梯销24会在电磁铁的作用下缩回转轴25内，使图案成形平台和转动轴暂时分离实现相对转动，此时图案成形平台将停留在原来的位置上，而没有进入定位件的凹槽的图案成形平台将在转动轴的带动下运动到相应位置，实现图案成形平台的更换。而在电流体动力学喷射成形过程中，电磁铁则不工作，以避免影响喷射成形的正常运作。阶梯销在弹簧的作用下将图案成形平台与转动轴固定，为下一次平台更换做准备。

所述定位件的数量与所述图案成形平台的数量相一致，且其中一个定位件的位置位于半圆形安装槽的内侧端点，并使得图案成形平台在销钉与该定位件定位之后位于喷液机构的正下方。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述喷射成形设备进行点、线、薄膜等不同类型结构以及不同承载基板的功能器件制备的控制方法，其步骤如下：

(1)根据待成形的图案以及待制备的功能器件类型，选择成形图案的基板材料或收集滚筒，包括柔性基板、硬质平面基板、曲面基板和收集滚筒。

(2)根据所选择的基板或收集滚筒，选用所需要的图案成形平台，包括多滚筒图案成形平台、双转台图案成形平台、真空吸盘图案成形平台和单滚筒图案成形平台。

(3)确定所选用的图案成形平台的转动角度，控制器对转轴的交流伺服电机进行旋转运动控制，从而驱动所选用的图案成形平台旋转到喷液机构下方的水平位置，为避免旋转运动产生的振动造成对平台转换机构的破坏，需要对图案成形平台旋转运动进行高平稳控制，其速度控制方法如下：

(a)图案成形平台转动过程需要经历加速阶段、匀速阶段和减速阶段三个阶段，根据图案成形平台的转动角度，计算图案成形平台旋转运动的线性角速度为：

式中ωi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度，ωi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度，α为图案成形平台转动的角加速度，t为插补周期，ωm为图案成形平台转动的最大角速度；

(b)对图案成形平台转动的线性角速度进行平滑预处理，得到角速度的平滑预处理值为：

pi＝λωi+(1-λ)pi-1(2)

式中pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)，ωi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度，pi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度的平滑预处理值；

(c)对图案成形平台转动的线性角速度进行平滑处理，得到角速度的平滑值为：

hi＝λpi+(1-λ)hi-1(3)

式中hi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)，pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，hi-1为图案成形平台转动的第i-1个插补周期的角速度的平滑值；

(d)计算图案成形平台旋转运动的平滑角速度，得到平滑角速度为：

式中为图案成形平台转动的第i个插补周期的平滑角速度，pi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑预处理值，hi为图案成形平台转动的第i个插补周期的角速度的平滑值，λ为平滑系数，其取值范围为λ∈(0,1)。

图案成形平台从初始位置由静止开始，按照平滑角速度进行平稳加速旋转运动、匀速旋转和平稳减速旋转运动三个阶段，最后图案成形平台平稳的停止在喷液机构下方的水平位置。

(4)通过控制器控制y轴滑移机构进行直线运动，使图案成形平台停止在喷液机构的正下方。

(5)根据上述选用的图案成形平台和图案成形的基板，设置工艺参数，如调整所述喷头和基板之间的距离、调节喷头与基板之间施加的电压值，并通过控制器控制相应的运动，进行待成形图案的喷射成形，从而实现点、线、薄膜等不同类型结构以及不同承载基板的功能器件的按需制备。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。