實驗名稱：絕緣(yuan)襯底微(wei)結構電(dian)流(liu)體噴射打印平臺研發

　　測(ce)試目的(de)：電(dian)(dian)(dian)(dian)流體(ti)噴(pen)射(she)打(da)(da)印(yin)(yin)技(ji)術(shu)在絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)/柔性襯(chen)(chen)底(di)上(shang)大面積、低成本制(zhi)備(bei)微結(jie)構(gou)(gou)的(de)能力具有(you)(you)重要的(de)應用前景和潛力，然而現有(you)(you)技(ji)術(shu)對厚度大于(yu)3mm的(de)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)上(shang)制(zhi)備(bei)微結(jie)構(gou)(gou)仍面臨挑戰，因(yin)此有(you)(you)必要開(kai)發一臺(tai)在大面積的(de)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)上(shang)實(shi)(shi)現微結(jie)構(gou)(gou)制(zhi)備(bei)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流體(ti)噴(pen)印(yin)(yin)平(ping)臺(tai)，實(shi)(shi)驗主(zhu)要目的(de)是基于(yu)交(jiao)變(bian)電(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)打(da)(da)印(yin)(yin)方(fang)法，設計制(zhi)造交(jiao)變(bian)電(dian)(dian)(dian)(dian)場打(da)(da)印(yin)(yin)噴(pen)頭、噴(pen)頭夾具，開(kai)發位(wei)(wei)移(yi)平(ping)臺(tai)、觀測(ce)相機(ji)集成及驅動軟件，研發絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)流體(ti)噴(pen)射(she)打(da)(da)印(yin)(yin)平(ping)臺(tai)。在電(dian)(dian)(dian)(dian)流體(ti)打(da)(da)印(yin)(yin)噴(pen)頭上(shang)施加穩定的(de)交(jiao)變(bian)電(dian)(dian)(dian)(dian)場是實(shi)(shi)現絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)打(da)(da)印(yin)(yin)的(de)重中(zhong)之重，研制(zhi)了(le)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)打(da)(da)印(yin)(yin)噴(pen)頭并確(que)定了(le)噴(pen)頭與接地電(dian)(dian)(dian)(dian)極的(de)位(wei)(wei)置關系。為提高(gao)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)打(da)(da)印(yin)(yin)設備(bei)各(ge)模塊的(de)協同控制(zhi)，對各(ge)運(yun)動、成像、供液等模塊進行了(le)集成并基于(yu)LabVIEW軟件編(bian)寫了(le)控制(zhi)程序，實(shi)(shi)現高(gao)絕(jue)(jue)(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)(chen)底(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)流體(ti)噴(pen)射(she)打(da)(da)印(yin)(yin)平(ping)臺(tai)的(de)集成。

　　測試設備：高壓放大(da)器(qi)、函數發(fa)生器(qi)、電流(liu)體噴(pen)頭、上(shang)位(wei)機、相機等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：電流體噴射打印平臺示意圖(tu)

　　搭建(jian)的絕緣襯底(di)電流體(ti)噴射打印平(ping)臺主要包括驅動軟件(jian)和硬件(jian)兩個(ge)方(fang)面，其示意圖如圖1所示。電流體(ti)噴射打印平(ping)臺的功(gong)能模塊主要由五部分構成。

　　（1）電噴印(yin)噴頭模(mo)塊

　　在(zai)電(dian)噴(pen)(pen)工(gong)藝流(liu)(liu)程中，在(zai)襯底上(shang)打印的(de)(de)(de)(de)導(dao)電(dian)油墨會帶有(you)一定(ding)(ding)濃度的(de)(de)(de)(de)殘(can)(can)余電(dian)荷(he)，而(er)當材料在(zai)金屬材質的(de)(de)(de)(de)電(dian)極(ji)上(shang)堆積(ji)時，殘(can)(can)余電(dian)荷(he)的(de)(de)(de)(de)濃度也(ye)會增(zeng)加(jia)，而(er)殘(can)(can)余電(dian)荷(he)的(de)(de)(de)(de)極(ji)性與錐射(she)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)液面上(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)荷(he)極(ji)性是一樣的(de)(de)(de)(de)，同極(ji)性的(de)(de)(de)(de)電(dian)荷(he)之間會有(you)庫倫排(pai)斥力(li)，這種排(pai)斥力(li)會使噴(pen)(pen)印射(she)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)(ding)性失衡，引起打印的(de)(de)(de)(de)中斷、鞭(bian)動、甚至堵塞(sai)噴(pen)(pen)頭。

　　（2）流(liu)量供給模(mo)塊

　　銀(yin)導電(dian)墨(mo)水具有的表面張力(li)對噴頭供(gong)液(ye)影響(xiang)較大，在極(ji)低(di)（<0.033N/m）的表面張力(li)作(zuo)用下，懸(xuan)浮液(ye)滴表面受垂直(zhi)于懸(xuan)液(ye)內(nei)的垂直(zhi)方向(xiang)的運(yun)動阻力(li)較低(di)，從而(er)導致墨(mo)水在噴頭針尖(jian)處(chu)聚集造成“爬(pa)針”現(xian)象(xiang)。與傳統機械式(shi)供(gong)液(ye)方式(shi)相比，氣(qi)壓推擠的供(gong)液(ye)方式(shi)具有穩(wen)定(ding)性，可以防止(zhi)毛細效應(ying)引起的墨(mo)水“爬(pa)針”現(xian)象(xiang)，氣(qi)動式(shi)供(gong)液(ye)方式(shi)主要有由空氣(qi)壓縮(suo)機、調壓閥(fa)、導管等(deng)部件構成。

　　（3）交變電(dian)場供電(dian)模(mo)塊(kuai)

　　電流(liu)體噴印的核心就(jiu)是電場(chang)的施加，交變電場(chang)供電模塊由函數(shu)發生器和高壓(ya)放大器組(zu)成，該模塊可為打(da)印提供所需的交變電場(chang)，于噴頭噴針與金屬底座之間(jian)。

　　（4）觀測模塊

　　觀測模塊采用的(de)(de)工(gong)業相(xiang)機(ji)，分辨率(lv)為(wei)2448×2048，幀率(lv)為(wei)35FPS其能夠通過USB3.0串(chuan)口(kou)與計算機(ji)進行通信，通過上位機(ji)中(zhong)圖像顯示軟件能夠采集到(dao)視頻(pin)圖像。選(xuan)用工(gong)作(zuo)距離為(wei)20cm，視場大小為(wei)8.45×7.07mm的(de)(de)遠心鏡頭。

　　（5）運動控制模(mo)塊(kuai)

　　運(yun)動控制模(mo)塊主要包括(kuo)3個部(bu)分。第一部(bu)分是三維(wei)位(wei)移軸(zhou)，包括(kuo)X-Y-Z三個方(fang)向，采用HIWIN的(de)KK模(mo)組系列，由于實驗(yan)中對(dui)軸(zhou)的(de)有效行程(cheng)、精(jing)度(du)以及(ji)運(yun)動速(su)度(du)有所要求，對(dui)XY軸(zhou)精(jing)度(du)的(de)要求比Z軸(zhou)高。

　　電流體(ti)噴射打印平臺(tai)控制(zhi)軟件研(yan)發：

　　為了(le)使(shi)(shi)電(dian)噴印系統的(de)(de)硬(ying)件(jian)組件(jian)能夠進行協調控制(zhi)，本論文在LabVIEW的(de)(de)開發(fa)環境(jing)下，研制(zhi)和開發(fa)了(le)相應的(de)(de)電(dian)流體(ti)(ti)噴射(she)打(da)印中所使(shi)(shi)用的(de)(de)控制(zhi)軟件(jian)。控制(zhi)電(dian)噴印噴頭模(mo)(mo)塊、流量供(gong)給模(mo)(mo)塊、交(jiao)變電(dian)場(chang)供(gong)電(dian)模(mo)(mo)塊、觀測模(mo)(mo)塊和運動控制(zhi)模(mo)(mo)塊，增(zeng)強其聯動性(xing)，實(shi)現協同控制(zhi)，完成電(dian)流體(ti)(ti)噴射(she)打(da)印實(shi)驗研究(jiu)。

　　圖2：各模塊與(yu)上位機通(tong)信(xin)示意圖

　　實驗結果：

　　搭(da)建了(le)(le)絕(jue)緣襯(chen)底電(dian)(dian)流(liu)(liu)體噴(pen)射(she)打(da)印(yin)平(ping)臺(tai)。在硬(ying)件方面，搭(da)建電(dian)(dian)流(liu)(liu)體噴(pen)射(she)打(da)印(yin)平(ping)臺(tai)，針對絕(jue)緣襯(chen)底電(dian)(dian)荷積(ji)累帶來的打(da)印(yin)不穩(wen)定(ding)問題(ti)，配置了(le)(le)交流(liu)(liu)高壓放大器和脈沖函數(shu)發生器，為打(da)印(yin)提供正負交變電(dian)(dian)場，以保證穩(wen)定(ding)打(da)印(yin)，建立(li)了(le)(le)一套打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)實時監測(ce)系統，可實現對打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中射(she)流(liu)(liu)形態進(jin)行監測(ce)。在軟(ruan)(ruan)件方面，為了(le)(le)在打(da)印(yin)中實現打(da)印(yin)、運動(dong)、成像等功能模塊的協調控(kong)制，采用(yong)LabVIEW編寫了(le)(le)應(ying)用(yong)于絕(jue)緣襯(chen)底上的電(dian)(dian)流(liu)(liu)體噴(pen)射(she)打(da)印(yin)平(ping)臺(tai)的控(kong)制軟(ruan)(ruan)件，實現操(cao)作可視化，提高打(da)印(yin)設備(bei)的整體操(cao)控(kong)性。

　　高(gao)壓放大器推薦：ATA-7015

　　圖：ATA-7015高壓放大器指標參數

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