一种用于气动式直写打印针头的形貌控制装置及应用的制作方法

本发明属于直写打印，具体涉及一种用于气动式直写打印针头的形貌控制装置及应用。

背景技术：

1、墨水直写打印（direct ink writing，diw）是一种新兴的高精度增材三维打印技术，其利用可控的喷嘴系统，将粘性墨水精确地喷射到目标表面上，而后通过热固化或交联等方法使得墨水固化，形成三维结构。墨水直写打印基于其本身的优势，近些年在生物医学工程、微型器件制造、航空航天和国防、以及显示行业等领域都体现出了极大的应用潜力。具体而言，墨水直写打印具有以下优势：墨水直写打印精度高、分辨率高，可以实现复杂几何形状、微结构和微小尺寸的结构构建，被广泛用于制造复杂的结构和纳米级的材料，制得材料的质量更佳；墨水直写打印技术可以实现高速打印，扶额和目前打印市场的应用需求；相比于传统的喷墨和激光打印技术，墨水直写打印技术可以更经济高效地使用墨水，因此设备的使用成本更低；墨水直写打印可以用于打印不同类型的墨水，包括颜色墨水、荧光墨水、金属墨水等，因此打印应用范围极广；应用灵活性较高，通过使用不同类型的墨水和打印基板，可以调整墨水直写打印的最终产品的性能特征，例如硬度、弹性、导电性等；此外，相较于现有的打印技术相比，墨水直写打印在运行过程中非常安静，不会产生噪音干扰。

2、墨水直写打印中墨水的出料方式主要有气动式、机械式和电磁式。所谓气动式墨水出料是指通过施加气压将墨水挤出到喷嘴或注射器中，然后通过控制气压的大小和喷嘴的位置来控制墨水的挤出速度和流动性。所谓机械式墨水出料是通过机械装置来控制墨水的挤出和流动，常见的机械式墨水出料装置为螺杆挤压结构。电磁式墨水出料是通过电磁力的作用将墨水推出到喷嘴或注射器中，这种方式通常使用电磁驱动或电磁阀控制墨水的挤出速度以及流动性。基于对机械式墨水出料、电磁式墨水出料的磨损、能耗等综合考量，目前市面上常见且广泛应用的墨水直写打印装置采用的出料方式为气动式。气动式墨水出料具有以下优点：气动式出料方式可以通过调节气压来实现对墨水流动速度和挤出量的控制，因此打印过程中的精准性更高；气动式出料方式具有较高的可调节性，可以根据需要调整墨水的出料速度和流量，以实现墨水出料的即开即停，满足不同打印要求下的最佳打印效果。

3、尽管气动式直写打印具有以上诸多优点，然而，在打印过程中，由于气动式直写打印在打印的起始阶段（打印针头逐渐加速到匀速的阶段）和结束阶段（打印针头从匀速逐渐减速到停止打印的阶段）等加减速位置处时，打印针头移动的速度要小于匀速打印阶段的打印速度，因此在气压保持一致的情况下，打印基板加减速位置处的表面将产生多余的墨水堆积，形成较长的工艺边。为尽量减少工艺边长度，提升基板的利用率，降低最终打印产品的边框宽度，降低打印成本，实践中常见的解决方法为快速开关气法，即在靠近加速段的起始位置处滞后对墨水施加气压，在靠近减速段的结束位置处提前对墨水停止施加气压，以保证墨水流量与打印针头移动速度的相对匹配。然而，一方面，气动系统存在滞后效应，在高速打印时，直写打印设备无法保证墨水流量与移动速度的精确匹配，因此该方法无法良好的解决产品工艺边长的技术问题；另一方面，频繁切换气压，将导致实际供料压力无法达到稳态，因此获得的打印产品的线高差较大，不够精准。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种打印精度高、且用于气动式直写打印针头的形貌控制装置及应用，具体通过以下技术方案得以实现：

2、一种用于气动式直写打印针头的形貌控制装置，所述形貌控制装置包括对应设置的第一表面和第二表面，以及贯穿所述第一表面和第二表面的用于安装直写打印针头的安装孔；所述安装孔一端与第一表面形成第一安置口，所述安装孔另一端与第二表面形成第二安置口；所述形貌控制装置还包括控材组件，所述控材组件包括贯穿所述第二表面的吸料狭缝，以及与吸料狭缝靠近第一表面一端贯通连接的吸料部件；所述吸料狭缝靠近第二表面一侧形成有用于引导直写打印针头出液口表面的墨水沿着吸料狭缝流动的导液口，所述第二安置口的直径大于所述直写打印针头出液口的直径。

3、本发明通过提供一种全新的、可以安装在直写打印针头上的形貌控制装置，极大的减小了工艺边的长度，避免了墨水的过多浪费，打印成本更低；且使用本发明的形貌控制装置进行打印获得的打印产品的线高差较小，制得的打印产品的精度更高，品质更好；此外，本发明的形貌控制装置结构简单，制备成本较低，且安装便利，可以与直写打印针头可拆卸连接，适用灵活性较高。具体的：

4、在本条技术方案中，本发明的形貌控制装置通过设置第一表面、第二表面、贯穿所述第一表面和第二表面的安装孔，以及与安装孔相配合的第一安置口和第二安置口，将为直写打印针头的安装提供便利。在安装的过程中，仅需要将直写打印针头的出液口依次穿过第一安置口、第二安置口，并套置在安装孔内部即可。

5、本发明的形貌控制装置通过在第二表面设置导液口、与导液口依次贯通相接的吸料狭缝和吸料部件，以及限定第二安置口与直写打印针头出液口的直径的关系，可以良好的解决现有技术中打印产品工艺边过长的问题。以直写打印针头处于减速阶段为例，由于对墨水施加的压力保持一致，因此当直写打印针头处于减速阶段时，直写打印针头出液口表面的墨水将不断蓄积，直至接触到导液口，而后吸料部件才会将墨水依次沿着导液口、吸料狭缝吸出，此时直写打印针头表面不再残留墨水，因此工艺边将得到缩短，且经吸料部件吸取到的墨水还可以进行重复利用。需要指出的是，本发明通过调整第二安置口与直写打印针头出液口的直径关系，可以实现仅有在直写打印针头出液口表面的墨水蓄积到一定量时，才会触发吸料部件对墨水进行吸取，这有效避免了吸料部件对直写打印针头出液口表面的墨水进行无差别吸取，因此匀速段打印产品的质量也得到了保障。

6、作为优选，所述吸料狭缝与第二安置口同轴设置。

7、原则上任何可以实现导液口与吸料部件贯通连接的吸料狭缝均可以满足吸料部件对墨水的吸取要求，因此，本发明的吸料狭缝的形态既可以是分布在第二安置口附近的一个或多个孔洞，也可以是分布在第二安置口附近的弧形吸料狭缝等。在本条技术方案中，吸料狭缝为围绕第二安置口，并与其同轴设置的环形吸料狭缝。通过设置环形吸料狭缝的技术方案，一方面，为墨水的吸取提供了更大的容纳空间，因此可以应用在墨水蓄积量较大的直写打印针头上；另一方面，还可以增大导液口与墨水接触面，因此随着位于中心位置处的直写打印针头出液口的墨水的不断蓄积，墨水将与四周均匀分散的导液口相接触，此时吸料部件的墨水吸取效果较佳，直写打印针头出液口表面的墨水残余量更少，可以进一步缩短工艺边的长度。

8、作为优选，所述安装孔内侧表面设置有用于对直写打印针头的表面温度进行控制的温度控制组件。

9、申请人经研究发现，直写打印针头表面温度的均一性不仅影响墨水的均一性还会影响墨水出料的流量大小。本条技术方案中通过在安装孔内侧表面设置温度控制组件，可以避免直写打印针头在不断移动打印过程中，因温度波动导致的出料流量的变化，因此经打印后获得的打印产品的精度更高。

10、作为进一步优选，所述温度控制组件包括调温部件，以及用于测定气动式直写打印针头表面温度的温度传感器。

11、本条技术方案通过设置对直写打印针头表面进行温度调控的调温部件、以及用于测定气动式直写打印针头表面温度的温度传感器，通过调温部件与温度传感器之间的密切配合，可以缩小直写打印针头表面温度的浮动范围，因此直写打印针头出液口墨水的出料更加均一，经打印后获得的打印产品的精度更高。具体而言，所述调温部件原则上可以选自任何可以对直写打印针头表面进行温度调控的装置，例如电热丝、水循环管道、帕尔贴等。

12、一种气动式直写打印针，包含有上述任一项所述的形貌控制装置。

13、作为优选，所述气动式直写打印针包括打印针头安装基座，以及设置在打印针头安装基座上的直写打印针头；所述直写打印针头远离打印针头安装基座一端设有出液口；沿着出液口墨水流动方向，所述直写打印针头的截面不断减小。

14、本条技术方案中，通过限定形貌控制装置适用的直写打印针头的形状，一方面，将从整体上提高直写打印针头的机械强度，因此直写打印针头的使用寿命将更长；另一方面，当直写打印针头表面设有温度控制组件时，可以在挤出墨水前，进一步对直写打印针头内部的墨水温度进行把控，减小墨水温度对直写打印针头出液口流量产生影响，因此经打印后获得的产品的精度更高。

15、一种直写打印设备，包含有上述任一项所述的气动式直写打印针的。

16、作为优选，所述直写打印设备还包括用于带动所述气动式直写打印针上下移动的升降组件。

17、上述的一种直写打印设备的使用方法，包括以下步骤：在直写打印的加减速阶段，抬高直写打印针头，使得直写打印针头表面的墨水不接触打印基板；开启吸料部件，使得与导液口相接的墨水依次沿着导液口和吸料狭缝被吸出。

18、本条技术方案中，通过设置导液口这一结构，以及与之相配合的抬高直写打印针头的使用方法，基于科恩达效应，在抬高直写打印针头的过程中，直写打印针头表面的墨水将会沿着导液口不断向上堆积，因此整体墨水吸取的效果更好，工艺边更短。

19、上述的一种直写打印设备的使用方法，包括以下步骤：在直写打印的加减速阶段，关闭供料气压；开启吸料部件，使得与导液口相接的墨水依次沿着导液口和吸料狭缝被吸出。

20、作为优选，所述直写打印设备的使用方法，还包括以下步骤：

21、s1、温度传感器的监测探头采集直写打印针头表面的温度数据，而后通过温度传感器的通讯模块将所述温度数据上传至控制器；

22、s2、控制器对温度数据进行分析，并根据分析结果，通过指令调温部件的升温与降温，对直写打印针头表面的温度进行调控。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明通过提供一种全新的、可以安装在直写打印针头上的形貌控制装置，极大的减小了工艺边的长度，提升了基板的利用率；且使用本发明的形貌控制装置进行打印获得的打印产品的线高差较小，制得的打印产品的精度更高，品质更好；此外，本发明的形貌控制装置结构简单，制备成本较低，且安装便利，可以与直写打印针头可拆卸连接，适用灵活性较高。具体的，首先，本发明的形貌控制装置通过设置第一表面、第二表面、贯穿所述第一表面和第二表面的安装孔，以及与安装孔相配合的第一安置口和第二安置口，将为直写打印针头的安装提供便利。其次，本发明的形貌控制装置通过在第二表面设置导液口、与导液口依次贯通相接的吸料狭缝和吸料部件，以及限定第二安置口与直写打印针头出液口的直径的关系，可以良好的解决现有技术中打印产品工艺边过长的问题。再次，本发明通过调整第二安置口与直写打印针头出液口的直径关系，可以实现仅有在直写打印针头出液口表面的墨水蓄积到一定量时，才会触发吸料部件对墨水进行吸取，这有效避免了吸料部件对直写打印针头出液口表面的墨水进行无差别吸取，因此匀速段打印产品的质量也得到了保障。此外，本发明还通过在安装孔内侧表面设置温度控制组件，可以避免直写打印针头在不断移动打印过程中，因温度波动导致的出料流量的变化，因此经打印后获得的打印产品的精度更高。