本申請涉及一種先進制造技術(shù)，特別涉及一種微流控電卷繩打印方法及其打印系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前三維打印技術(shù)，即“增材制造”，在工業(yè)、電子、生物醫(yī)療領(lǐng)域掀起熱潮。在三維打印技術(shù)里最常見、廣泛存在的是三維直寫打印技術(shù)，該技術(shù)機理直觀、成本低、材料兼容性好。該技術(shù)的原理是將噴頭裝置在可三維平移的精密電動臺上，由電腦控制的電動平移臺帶動噴頭三維移動，擠出直線型的原料(實際應(yīng)用中許多原料是復(fù)雜流體)，按預(yù)先設(shè)計好的圖案一層一層地寫出三維結(jié)構(gòu)。三維直寫技術(shù)在對精度要求不高、結(jié)構(gòu)簡單，如模型制作等應(yīng)用中很受歡迎。根據(jù)該技術(shù)的原理，其打印精度和噴頭的尺寸相當(dāng)，而為了防止擠出時壓力過大，噴頭的尺寸達到瓶頸，難以再下降。另外，在打印復(fù)雜的如多處彎曲或螺旋等結(jié)構(gòu)時，該技術(shù)耗時長，而且打印出來的成品缺陷較多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題：本發(fā)明提出一種微流控電卷繩打印方法，在打印噴頭上外加電場，

(1)采樣電動平移臺參數(shù)，打印原料參數(shù)；

(2)連接外加電場到噴口和工作件表面；

(3)錄入根據(jù)步驟(1)中的所述參數(shù)，根據(jù)所述參數(shù)調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電場強度，使電壓調(diào)節(jié)到電卷繩效應(yīng)的臨界電壓u；

(4)打開噴頭，進行噴射打印；

(5)調(diào)節(jié)電動平移臺的移動速度，匹配不同卷繩頻率或幅度，形成不同形態(tài)的電卷繩。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述卷繩的頻率或幅度運動特征與電場強度、擠出速率、原料的流體性質(zhì)、電動平移臺裝置的幾何參數(shù)的至少之一相關(guān)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述步驟(3)中電卷繩效應(yīng)出現(xiàn)的臨界電壓u為：(μγq)^0.25l^0.25a0^-0.25(ε0ε1)^-0.5；其中，l為板間距、a0為噴口尺寸和q為液體進樣流量速度，對應(yīng)于不同液體，μ為粘度，γ為界面張力和ε1為介電常數(shù)，ε0是真空電容率。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述步驟(5)中的形成不同形態(tài)的電卷繩具體包括：當(dāng)卷繩頻率慢，平移臺速度快時，彎曲結(jié)構(gòu)的波峰之間距離較大；當(dāng)卷繩頻率很快，平移臺速度慢時，形成上下對稱的彎曲結(jié)構(gòu)，或8字型彎曲結(jié)構(gòu)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述噴頭采用微流控設(shè)計，當(dāng)電場強度緩慢上升時，噴口擠出的原料射流以快速、均勻的角速度周期性左右搖擺，在工作件的表面留下一串形狀高度一致的彎曲結(jié)構(gòu)，形成電卷繩效應(yīng)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，達到電卷繩的臨界電壓u后，原料以穩(wěn)定的頻率卷曲，如果拖動電動平移臺底板的速度為v1，打印出來的是直線；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v2，出現(xiàn)波浪線型；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v3，出現(xiàn)八字線型；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v4，出現(xiàn)螺旋線型，所述v1>v2>v3>v4。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述電壓與電動平移臺底板移動速度相匹配，當(dāng)升高電壓后，卷繩速度加快，拖動底板的速度相應(yīng)地加快，當(dāng)降低電壓后，卷繩速度變慢，拖動底板的速度相應(yīng)地變慢。

一種使用上述微流控電卷繩打印方法的微流控電卷繩打印系統(tǒng)，包括噴頭，還包括可調(diào)節(jié)電場強度的電源、電動平移臺、控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)根據(jù)錄入的信息，調(diào)節(jié)所述電源的輸出電壓，控制噴頭進行噴射原料，并調(diào)節(jié)電動平移臺底板的移動速度。

所述的微流控電卷繩打印系統(tǒng)，其中，所述錄入的信號包括板間距l(xiāng)、噴口尺寸a0和液體進樣流量速度q，對應(yīng)于不同液體，粘度μ，界面張力γ和介電常數(shù)ε1，真空電容率ε0。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述噴頭采用微流控設(shè)計。

本申請針對應(yīng)用廣泛的三維直寫技術(shù)存在的問題，如精度難以提高、打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)時缺陷多又耗時長等，我們提出新的微流控電卷繩技術(shù)，引入外加電場，可以將打印的結(jié)構(gòu)縮小到噴口尺寸的幾十分之一，甚至百分之一，同時大幅度提高寫出的速度。更為重要的是，加入電效應(yīng)后出現(xiàn)電卷繩現(xiàn)象，打印各種彎曲結(jié)構(gòu)如屈曲、螺旋等速度快又質(zhì)量精良。本申請電卷繩技術(shù)采用外加電場來驅(qū)動流體，一方面外加電場將復(fù)雜流體拉細(xì)，使得打印精度能夠減小到噴口尺寸的十分之一到百分之一之間，另一方面電驅(qū)動流體的下落速度極大地加快，使得整體打印速度得到提升。本申請利用流體原料的自身屬性，引發(fā)其做角速度、幅值可控的盤繞運動，在平移臺直線運動的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)電場強度，可以得到一系列形態(tài)可控、又高度重復(fù)的曲線結(jié)構(gòu)。這大大加強了基于擠壓法的打印技術(shù)所能處理的圖案結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

附圖說明

圖1為本申請微流控電卷繩打印系統(tǒng)一種優(yōu)選的示意圖。

圖2為所外加的電場強度和復(fù)雜流體電卷繩效應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系的一種優(yōu)選的示意圖。

圖3為用微流控電卷繩技術(shù)所打印出的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選的顯微鏡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述，有必要在此指出的是，以下具體實施方式只用于對本發(fā)明進行進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。

本發(fā)明提出一種微流控電卷繩打印方法，在打印噴頭上外加電場，

(1)采樣電動平移臺參數(shù)，打印原料參數(shù)；

(2)連接外加電場到噴口和工作件表面；

(3)錄入根據(jù)步驟(1)中的所述參數(shù)，根據(jù)所述參數(shù)調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電場強度，使電壓調(diào)節(jié)到電卷繩效應(yīng)的臨界電壓u；

(4)打開噴頭，進行噴射打印；

(5)調(diào)節(jié)電動平移臺的移動速度，匹配不同卷繩頻率或幅度，形成不同形態(tài)的電卷繩。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述卷繩的頻率或幅度運動特征與電場強度、擠出速率、原料的流體性質(zhì)、電動平移臺裝置的幾何參數(shù)的至少之一相關(guān)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述步驟(3)中電卷繩效應(yīng)出現(xiàn)的臨界電壓u為：(μγq)^0.25l^0.25a0^-0.25(ε0ε1)^-0.5；其中，l為板間距、a0為噴口尺寸和q為液體進樣流量速度，對應(yīng)于不同液體，μ為粘度，γ為界面張力和ε1為介電常數(shù)，ε0是真空電容率。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述步驟(5)中的形成不同形態(tài)的電卷繩具體包括：當(dāng)卷繩頻率慢，平移臺速度快時，彎曲結(jié)構(gòu)的波峰之間距離較大；當(dāng)卷繩頻率很快，平移臺速度慢時，形成上下對稱的彎曲結(jié)構(gòu)，或8字型彎曲結(jié)構(gòu)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述噴頭采用微流控設(shè)計，當(dāng)電場強度緩慢上升時，噴口擠出的原料射流以快速、均勻的角速度周期性左右搖擺，在工作件的表面留下一串形狀高度一致的彎曲結(jié)構(gòu)，形成電卷繩效應(yīng)。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，達到電卷繩的臨界電壓u后，原料以穩(wěn)定的頻率卷曲，如果拖動電動平移臺底板的速度為v1，打印出來的是直線；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v2，出現(xiàn)波浪線型；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v3，出現(xiàn)八字線型；如果拖動電動平移臺拖動底板的速度v4，出現(xiàn)螺旋線型，所述v1>v2>v3>v4。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述電壓與電動平移臺底板移動速度相匹配，當(dāng)升高電壓后，卷繩速度加快，拖動底板的速度相應(yīng)地加快，當(dāng)降低電壓后，卷繩速度變慢，拖動底板的速度相應(yīng)地變慢。

如圖1所示為微流控電卷繩技術(shù)的實驗平臺示意圖，插入的小圖為不同電壓和平移臺速度配比時，所能打印出多樣的彎曲結(jié)構(gòu)。一種使用上述微流控電卷繩打印方法的微流控電卷繩打印系統(tǒng)，包括噴頭，還包括可調(diào)節(jié)電場強度的電源、電動平移臺、控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)根據(jù)錄入的信息，調(diào)節(jié)所述電源的輸出電壓，控制噴頭進行噴射原料，并調(diào)節(jié)電動平移臺底板的移動速度。

所述的微流控電卷繩打印系統(tǒng)，其中，所述錄入的信號包括板間距l(xiāng)、噴口尺寸ε0和液體進樣流量速度q，對應(yīng)于不同液體，粘度μ，界面張力γ和介電常數(shù)ε1，真空電容率ε0。

所述的微流控電卷繩打印方法，其中，所述噴頭采用微流控設(shè)計。

圖2為所外加的電場強度和復(fù)雜流體電卷繩效應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系圖。ca是毛細(xì)管數(shù)，物理意義為粘性應(yīng)力與界面張力的比例，粘性應(yīng)力可以表示會液體粘度*速度梯度，界面張力為液體的界面張力。這里，液體的粘度、界面張力均為液體的材料特性；液體的速度可以用流量/截面面積來計算，其中流量為操作參數(shù)，由針頭泵控制。l是指噴口到底板的距離。2a0是噴口尺寸。

左圖的意義：當(dāng)電壓升高，液體由于被電場加速，加速后粘性應(yīng)力變大，導(dǎo)致毛細(xì)管數(shù)越來越大。即電壓升高會導(dǎo)致毛細(xì)管數(shù)升高。然后，我們調(diào)節(jié)很多參數(shù)、換不同液體，很多數(shù)據(jù)說明，當(dāng)毛細(xì)管數(shù)超過l/2a0時,電卷繩會出現(xiàn)。

雖然知道電壓升高會導(dǎo)致毛細(xì)管數(shù)升高，但是升高多少電壓能使毛細(xì)管數(shù)到達閾值，所需的電壓會不會大到超過周圍介電質(zhì)的擊穿電壓，不同的液體所需的電壓值為何不一樣，l越大，所需的電壓值反而越小，要知道這些，必須知道電壓與毛細(xì)管數(shù)的關(guān)系，通過解動量方程，算出液體在電場中的速度變化，最后求得毛細(xì)管數(shù)與物性參數(shù)、操作參數(shù)的關(guān)系。

圖3為用微流控電卷繩技術(shù)所打印出的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖。這些不同線型都是在不同的電壓和底板移動速度下，所產(chǎn)生的線型。所用的液體材料是一樣的，都是將聚己內(nèi)酯溶解在有機溶劑中，然后用聚己內(nèi)酯溶液做打印，之后溶劑揮發(fā)，聚己內(nèi)酯固化。

本申請針對應(yīng)用廣泛的三維直寫技術(shù)存在的問題，如精度難以提高、打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)時缺陷多又耗時長等，我們提出新的微流控電卷繩技術(shù)，引入外加電場，可以將打印的結(jié)構(gòu)縮小到噴口尺寸的幾十分之一，甚至百分之一，同時大幅度提高寫出的速度。更為重要的是，加入電效應(yīng)后出現(xiàn)電卷繩現(xiàn)象，打印各種彎曲結(jié)構(gòu)如屈曲、螺旋等速度快又質(zhì)量精良。

現(xiàn)有的基于擠壓法的直寫打印技術(shù)的精度與噴口尺寸相當(dāng)，由于打印原料的半流體半固體的復(fù)雜性質(zhì)，擠出時的壓力很大，因此進一步縮小噴口尺寸在實際操作上十分困難。本申請電卷繩技術(shù)采用外加電場來驅(qū)動流體，一方面外加電場將復(fù)雜流體拉細(xì)，使得打印精度能夠減小到噴口尺寸的十分之一到百分之一之間，另一方面電驅(qū)動流體的下落速度極大地加快，使得整體打印速度得到提升。

直寫技術(shù)依靠三維電動平移臺來移動噴口的位置，而靠步進電機驅(qū)動的xyz平移臺按直線軌跡移動十分簡單便捷，按曲線移動時，則需要x軸和y軸配合的很好，對曲率很大的圖形，x軸和y軸的步長必須非常小，才能得到光滑的曲線軌跡，這帶來了打印結(jié)構(gòu)的圖案缺陷、和成本的上升。本申請利用流體原料的自身屬性，引發(fā)其做角速度、幅值可控的盤繞運動，在平移臺直線運動的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)電場強度，可以得到一系列形態(tài)可控、又高度重復(fù)的曲線結(jié)構(gòu)。這大大加強了基于擠壓法的打印技術(shù)所能處理的圖案結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

電卷繩技術(shù)則適用于粘度較大的復(fù)雜流體，如漿料、復(fù)合材料、樹脂、高濃度聚合物等。適應(yīng)制作三維結(jié)構(gòu)，擠壓出的是直線型或曲線型圖案，不存在液滴在工作件表面的浸潤和揮發(fā)等物理現(xiàn)象，對所得到圖案的質(zhì)量有很大的影響，很容易導(dǎo)致線型的不均一的技術(shù)問題。