實驗名稱：絕緣襯底微結(jié)構(gòu)電流體噴射打印平臺研發(fā)

測試目的：電流體噴射打印技術(shù)在絕緣/柔性襯底上大面積、低成本制備微結(jié)構(gòu)的能力具有重要的應(yīng)用前景和潛力，然而現(xiàn)有技術(shù)對厚度大于3mm的絕緣襯底上制備微結(jié)構(gòu)仍面臨挑戰(zhàn)，因此有必要開發(fā)一臺在大面積的絕緣襯底上實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)制備的電流體噴印平臺，實驗主要目的是基于交變電場的絕緣襯底打印方法，設(shè)計制造交變電場打印噴頭、噴頭夾具，開發(fā)位移平臺、觀測相機集成及驅(qū)動軟件，研發(fā)絕緣襯底電流體噴射打印平臺。在電流體打印噴頭上施加穩(wěn)定的交變電場是實現(xiàn)絕緣襯底打印的重中之重，研制了絕緣襯底打印噴頭并確定了噴頭與接地電極的位置關(guān)系。為提高絕緣打印設(shè)備各模塊的協(xié)同控制，對各運動、成像、供液等模塊進行了集成并基于LabVIEW軟件編寫了控制程序，實現(xiàn)高絕緣襯底電流體噴射打印平臺的集成。

測試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、電流體噴頭、上位機、相機等。

實驗過程：

圖1：電流體噴射打印平臺示意圖

搭建的絕緣襯底電流體噴射打印平臺主要包括驅(qū)動軟件和硬件兩個方面，其示意圖如圖1所示。電流體噴射打印平臺的功能模塊主要由五部分構(gòu)成。

（1）電噴印噴頭模塊

在電噴工藝流程中，在襯底上打印的導(dǎo)電油墨會帶有一定濃度的殘余電荷，而當材料在金屬材質(zhì)的電極上堆積時，殘余電荷的濃度也會增加，而殘余電荷的極性與錐射流的液面上的電荷極性是一樣的，同極性的電荷之間會有庫倫排斥力，這種排斥力會使噴印射流的穩(wěn)定性失衡，引起打印的中斷、鞭動、甚至堵塞噴頭。

（2）流量供給模塊

銀導(dǎo)電墨水具有的表面張力對噴頭供液影響較大，在極低（<0.033N/m）的表面張力作用下，懸浮液滴表面受垂直于懸液內(nèi)的垂直方向的運動阻力較低，從而導(dǎo)致墨水在噴頭針尖處聚集造成“爬針”現(xiàn)象。與傳統(tǒng)機械式供液方式相比，氣壓推擠的供液方式具有穩(wěn)定性，可以防止毛細效應(yīng)引起的墨水“爬針”現(xiàn)象，氣動式供液方式主要有由空氣壓縮機、調(diào)壓閥、導(dǎo)管等部件構(gòu)成。

（3）交變電場供電模塊

電流體噴印的核心就是電場的施加，交變電場供電模塊由函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器組成，該模塊可為打印提供所需的交變電場，于噴頭噴針與金屬底座之間。

（4）觀測模塊

觀測模塊采用的工業(yè)相機，分辨率為2448×2048，幀率為35FPS其能夠通過USB3.0串口與計算機進行通信，通過上位機中圖像顯示軟件能夠采集到視頻圖像。選用工作距離為20cm，視場大小為8.45×7.07mm的遠心鏡頭。

（5）運動控制模塊

運動控制模塊主要包括3個部分。第一部分是三維位移軸，包括X-Y-Z三個方向，采用HIWIN的KK模組系列，由于實驗中對軸的有效行程、精度以及運動速度有所要求，對XY軸精度的要求比Z軸高。

電流體噴射打印平臺控制軟件研發(fā)：

為了使電噴印系統(tǒng)的硬件組件能夠進行協(xié)調(diào)控制，本論文在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境下，研制和開發(fā)了相應(yīng)的電流體噴射打印中所使用的控制軟件。控制電噴印噴頭模塊、流量供給模塊、交變電場供電模塊、觀測模塊和運動控制模塊，增強其聯(lián)動性，實現(xiàn)協(xié)同控制，完成電流體噴射打印實驗研究。

圖2：各模塊與上位機通信示意圖

實驗結(jié)果：

搭建了絕緣襯底電流體噴射打印平臺。在硬件方面，搭建電流體噴射打印平臺，針對絕緣襯底電荷積累帶來的打印不穩(wěn)定問題，配置了交流高壓放大器和脈沖函數(shù)發(fā)生器，為打印提供正負交變電場，以保證穩(wěn)定打印，建立了一套打印過程實時監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對打印過程中射流形態(tài)進行監(jiān)測。在軟件方面，為了在打印中實現(xiàn)打印、運動、成像等功能模塊的協(xié)調(diào)控制，采用LabVIEW編寫了應(yīng)用于絕緣襯底上的電流體噴射打印平臺的控制軟件，實現(xiàn)操作可視化，提高打印設(shè)備的整體操控性。

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審核編輯 黃宇