高壓放大器在微結構電流體噴射打印平臺研究中的應用

實驗名稱：絕緣襯底微結構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在絕緣/柔性襯底上大面積、低成本制備微結構的能力具有重要的應用前景和潛力，然而現有技術對厚度大于3mm的絕緣襯底上制備微結構仍面臨挑戰(zhàn)，因此有必要開發(fā)一臺在大面積的絕緣襯底上實現微結構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系。為提高絕緣打印設備各模塊的協(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，實現高絕緣襯底電流體噴射打印平臺的集成。

測試設備：高壓放大器、函數發(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，在襯底上打印的導電油墨會帶有一定濃度的殘余電荷，而當材料在金屬材質的電極上堆積時，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的垂直方向的運動阻力較低，從而導致墨水在噴頭針尖處聚集造成“爬針”現象。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，可以防止毛細效應引起的墨水“爬針”現象，氣動式供液方式主要有由空氣壓縮機、調壓閥、導管等部件構成。

（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)調控制，本論文在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境下，研制和開發(fā)了相應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，增強其聯動性，實現協(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，為了在打印中實現打印、運動、成像等功能模塊的協(xié)調控制，采用LabVIEW編寫了應用于絕緣襯底上的電流體噴射打印平臺的控制軟件，實現操作可視化，提高打印設備的整體操控性。

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審核編輯 黃宇