一种喷针共轴的纳米打印方法

专利2023-09-19  18


1.本发明属于先进制造技术领域,涉及一种喷针共轴的纳米打印方法。


背景技术:

2.微纳制造是近几十年发展起来先进制造技术,在航空航天、轨道交通、能源电力、生物医疗等领域发挥出了重要的作用。采用微纳米技术制备的传感器、执行器等高性能器件具有集成度高、灵敏度高、选择性强等特点,在可穿戴医疗、环境监测、精密定位等方面具有广泛的应用前景。打印技术是一种重要的微纳制造方法,具有可编程度高、无需模板、加工周期短等优势,在制备上述器件中体现了重要的价值。在众多打印技术中,电流体喷印是一种新兴的增材制造技术,具有材料适应广、分辨率高、成本低等突出特点,在制备微纳米结构与器件上表现出了应用潜力。目前,电流体喷印设备多采用单一喷针,获得的射流尺寸多为微米或亚微米,难以制备出纳米结构。采用内外喷针结合的方式,利用内外液体的相互作用,可以获得纳米射流。这一过程需要内外喷针保持一定的空间位置关系,目前调节内外喷针位置多采用螺丝顶针,多为手动调节,这在一定程度上限制了内外喷针的位置关系及射流的尺度。


技术实现要素:

3.本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足,发明一种喷针共轴的纳米打印方法。首先,将内喷针上下两端套上磁性套,内喷针依次插入顶端夹具、底端夹具、外喷头,通有电的磁性套实现电磁转换,产生与磁环相同的磁性,带有磁性套的内喷针在磁环同性磁力排斥下发生移动,内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上,实现内喷针与外喷头共轴,电源向内喷头、外喷头提供高电压,内液和外液带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成纳米射流,实现纳米打印。此方法具有定位精度高、结构简单、成本低等优点。
4.本发明采用的技术方案是:
5.一种喷针共轴的纳米打印方法,是利用喷针共轴的纳米打印装置实现的,其特征在于,所述的打印装置包括运动调节模块、悬浮共轴模块、纳米打印模块;所述的运动调节模块包括平台、y轴步进电机、电脑、y运动轴、x运动轴、x轴步进电机、z运动轴、z轴步进电机、定位柱;所述的平台固定在水平面上,位于设备最下方;所述的y轴步进电机和y运动轴配合在一起,并固定在平台上,提供y方向运动;所述的x运动轴和x轴步进电机配合在一起,并固定在y运动轴上方,提供x方向运动;所述的z运动轴和z轴步进电机配合在一起,竖直固定在平台上;所述的定位柱安装在z运动轴上,用于限位z运动轴到平台的距离;
6.所述的悬浮共轴模块包括底端夹具、内喷针、顶端夹具、共轴定位相机、连接板、下绝缘板、外喷头、上绝缘板、精调位移台、上磁性套、顶端磁环、底端磁环、下磁性套和间隙;所述的连接板安装在定位柱上,可在z运动轴的带动下移动;所述的下绝缘板固定在连接板上,所示的底端夹具安装在下绝缘板上;所述的下绝缘板、连接板、底端夹具在同一平面内;所述的外喷头安装在底端夹具的下方;所述的精调位移台固定在连接板上方;所述的上绝
缘板固定在精调位移台上;所述的顶端夹具固定在上绝缘板上;所述的上绝缘板、精调位移台、顶端夹具在同一平面内;所属的顶端磁环固定在顶端夹具内侧;所属的底端磁环固定在底端夹具内侧;所属的顶端磁环和底端磁环通电后产生磁性;所示的内喷针上下两端分别套有上磁性套和下磁性套;所述的间隙位于上磁性套和顶端磁环之间,也位于底端磁环和下磁性套之间;共轴定位相机位于顶端磁环正上方;
7.所述的纳米打印模块包括高速相机、绝缘平板、光源、绝缘柱、实验平台、电源、内液、内液注射器、内液泵、外液、外液注射器、外液泵;所述的绝缘平板固定在x运动轴上;所述的绝缘柱垂直固定在绝缘平板的四个角上;所述的光源位于绝缘平板的一侧;所述的实验平台位于四个绝缘柱组成的平面上;所述的含有内液的内液注射器固定在内液泵上;所述的含有外液的外液注射器固定在外液泵上;所述的电源为y轴步进电机、x轴步进电机、z轴步进电机、内喷针、外喷头提供电压;高速相机位于外喷头的一侧;
8.一种喷针共轴的纳米打印方法,其特征在于,步骤如下:
9.第一步,实现内喷针与外喷头共轴
10.打开电源开关,向x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机供电,在x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机的运动下,对实验平台复位;移动精调位移台,并带动顶端夹具移动,使顶端夹具内孔和底端夹具内孔的轴线在一条直线上;将上磁性套和下磁性套分别套在内喷针上下两端;带有上磁性套、下磁性套的内喷针依次插入顶端夹具内孔、底端夹具内孔,并穿过外喷头;向顶端磁环、底端磁环通电,顶端磁环、底端磁环实现电磁转换,并使顶端磁环与上磁性套带有相同磁性,底端磁环与下磁性套带有相同磁性;此时,带有上磁性套、下磁性套的内喷针在顶端磁环、底端磁环的同性磁力排斥下发生移动,内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上,内喷针与顶端夹具、底端夹具产生间隙,实现内喷针与外喷头共轴;
11.第二步,喷针共轴纳米打印
12.内液注射器吸入内液,并在内液泵的推压下进入内喷头中;外液注射器吸入外液,并在外液泵的推压下进入外喷头中;电源向内喷头、外喷头提供高电压,此时内液和外液带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成纳米射流;高速相机观察射流行为;配合y轴步进电机、x轴步进电机、z轴步进电机的运动,纳米射流沉积到实验平台上,实现纳米打印。
附图说明
13.图1是本发明实施例中的一种喷针共轴的纳米打印装置简图。
14.图2是本发明实施例中的共轴喷针单元正视图。
15.图3是本发明实施例中的共轴喷针上端的截面图。
16.图4是本发明实施例中的套有磁性套的内喷针。
17.图中:1平台、2高速相机、3 y轴步进电机、4电脑、5 y运动轴、6 x运动轴、7 x轴步进电机、8绝缘平板、9光源、10绝缘柱、11实验平台、12电源、13底端夹具、14内喷针、15顶端夹具、16共轴定位相机、17 z运动轴、18 z轴步进电机、19内液、20内液注射器、21内液泵、22定位柱、23外液、24外液注射器、25外液泵、26连接板、27下绝缘板、28外喷头、29上绝缘板、30精调位移台、31上磁性套、32顶端磁环、33底端磁环、34下磁性套、35间隙。
具体实施方式
18.以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。参见图1至图4。
19.本实施例公开了一种喷针共轴的纳米打印方法。首先,将内喷针上下两端套上磁性套,内喷针依次插入顶端夹具、底端夹具、外喷头,通有电的磁性套实现电磁转换,产生与磁环相同的磁性,带有磁性套的内喷针在磁环同性磁力排斥下发生移动,内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上,实现内喷针与外喷头共轴,电源向内喷头、外喷头提供高电压,内液和外液带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成纳米射流,实现纳米打印。
20.具体的讲,在本实例中,所述的一种喷针共轴的纳米打印方法,其特征在于,采用的打印装置包括运动调节模块、悬浮共轴模块、纳米打印模块;所述的运动调节模块包括平台1、y轴步进电机3、电脑4、y运动轴5、x运动轴6、x轴步进电机7、z运动轴17、z轴步进电机18、定位柱22;所述的金属平台1固定在水平面上,位于设备最下方;所述的y轴步进电机3和y运动轴5配合在一起,并用螺栓固定在平台1上,提供y方向运动,速度范围0-1000mm/s;所述的x运动轴6和x轴步进电机7配合在一起,并固定在y运动轴5上方,提供x方向运动,速度范围0-1000mm/s;所述的z运动轴17和z轴步进电机18配合在一起,竖直固定在平台1上;所述的定位柱22安装在z运动轴17上,用于限位z运动轴17到平台1的距离,z运动轴17的移动范围为0-500mm;
21.所述的悬浮共轴模块包括底端夹具13、内喷针14、顶端夹具15、共轴定位相机16、连接板26、下绝缘板27、外喷头28、上绝缘板29、精调位移台30、上磁性套31、顶端磁环32、底端磁环33、下磁性套34和间隙35;所述的金属连接板26安装在定位柱22上,可在z运动轴17的带动下移动,移动范围为0-1000mm;所述的下绝缘板27为pmma材质,固定在连接板26上,所示的底端夹具13安装在下绝缘板27上;所述的下绝缘板27、连接板26、底端夹具13在同一平面内;所述的外喷头28安装在底端夹具13的下方;所述的精调位移台30固定在连接板26上方;所述的上绝缘板29为pmma材质,固定在精调位移台30上;所述的顶端夹具15固定在上绝缘板29上;所述的上绝缘板29、精调位移台30、顶端夹具15在同一平面内;所属的顶端磁环32固定在顶端夹具15内侧;所属的底端磁环33固定在底端夹具13内侧;所属的顶端磁环32和底端磁环33通电后产生磁性;所示的内喷针14上下两端分别套有上磁性套31和下磁性套34;所述的间隙35位于上磁性套31和顶端磁环32之间,也位于底端磁环33和下磁性套34之间;共轴定位相机16位于顶端磁环32正上方;
22.所述的纳米打印模块包括高速相机2、绝缘平板8、光源9、绝缘柱10、实验平台11、电源12、内液19、内液注射器20、内液泵21、外液23、外液注射器24、外液泵25;所述的绝缘平板8固定在x运动轴6上;所述的绝缘柱10为四个,材质为pi,垂直固定在绝缘平板8的四个角上;所述的光源9位于绝缘平板8的一侧;所述的实验平台11位于四个绝缘柱10组成的平面上;所述的含有内液19pzt的内液注射器20固定在内液泵21上;所述的含有外液23硅油的外液注射器24固定在外液泵25上;所述的电源12输出电压范围为0-10000v,向y轴步进电机3、x轴步进电机7、z轴步进电机18、内喷针14、外喷头28提供电压;高速相机2位于外喷头28的一侧;
23.一种喷针共轴的纳米打印方法,其特征在于,步骤如下:
24.第一步,实现内喷针与外喷头共轴
25.打开电源12开关,向x轴步进电机7、y轴步进电机3、z轴步进电机16供电,在x轴步进电机7、y轴步进电机3、z轴步进电机16的运动下,对实验平台11复位;移动精调位移台30,并带动顶端夹具15移动,使顶端夹具15内孔和底端夹具13内孔的轴线在一条直线上;将上磁性套31和下磁性套34分别套在外直径为320微米的内喷针14上下两端;带有上磁性套31、下磁性套34的内喷针14依次插入顶端夹具15内孔、底端夹具13内孔,并穿过外喷头28;向顶端磁环32、底端磁环33通电,顶端磁环32、底端磁环33实现电磁转换,并使顶端磁环32与上磁性套31带有相同磁性,底端磁环33与下磁性套34带有相同磁性;此时,带有上磁性套31、下磁性套34的内喷针14在顶端磁环32、底端磁环33的同性磁力排斥下发生移动,内喷针14悬浮在顶端夹具15、底端夹具13中心线上,内喷针14与顶端夹具15、底端夹具13产生0.5-10mm的间隙35,实现内喷针14与外喷头28共轴;
26.第二步,喷针共轴纳米打印
27.容量为10ml的内液注射器20吸入5ml内液19,并在内液泵21的推压下进入内直径为100微米内喷头29中;外液注射器24吸入外液23,并在外液泵25的推压下进入直径为330微米的外喷头28中;电源12向内喷头29、外喷头28提供1000-8000v高电压,此时内液19和外液23带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成直径为20-90nm的纳米射流;高速相机2观察射流行为;配合y轴步进电机3、x轴步进电机7、z轴步进电机18的运动,纳米射流沉积到实验平台11上,实现纳米打印。

技术特征:
1.一种喷针共轴的纳米打印方法,是采用喷针共轴纳米打印装置实现的,其特征在于,所述的装置包括运动调节模块、悬浮共轴模块、纳米打印模块;所述的运动调节模块包括平台(1)、y轴步进电机(3)、电脑(4)、y运动轴(5)、x运动轴(6)、x轴步进电机(7)、z运动轴(17)、z轴步进电机(18)、定位柱(22);所述的平台(1)固定在水平面上,位于设备最下方;所述的y轴步进电机(3)和y运动轴(5)配合在一起,并固定在平台(1)上,提供y方向运动;所述的x运动轴(6)和x轴步进电机(7)配合在一起,并固定在y运动轴(5)上方,提供x方向运动;所述的z运动轴(17)和z轴步进电机(18)配合在一起,竖直固定在平台(1)上;所述的定位柱(22)安装在z运动轴(17)上,用于限位z运动轴(17)到平台(1)的距离;所述的悬浮共轴模块包括底端夹具(13)、内喷针(14)、顶端夹具(15)、共轴定位相机(16)、连接板(26)、下绝缘板(27)、外喷头(28)、上绝缘板(29)、精调位移台(30)、上磁性套(31)、顶端磁环(32)、底端磁环(33)、下磁性套(34)和间隙(35);所述的连接板(26)安装在定位柱(22)上,可在z运动轴(17)的带动下移动;所述的下绝缘板(27)固定在连接板(26)上,所示的底端夹具(13)安装在下绝缘板(27)上;所述的下绝缘板(27)、连接板(26)、底端夹具(13)在同一平面内;所述的外喷头(28)安装在底端夹具(13)的下方;所述的精调位移台(30)固定在连接板(26)上方;所述的上绝缘板(29)固定在精调位移台(30)上;所述的顶端夹具(15)固定在上绝缘板(29)上;所述的上绝缘板(29)、精调位移台(30)、顶端夹具(15)在同一平面内;所属的顶端磁环(32)固定在顶端夹具(15)内侧;所属的底端磁环(33)固定在底端夹具(13)内侧;所属的顶端磁环(32)和底端磁环(33)通电后产生磁性;所示的内喷针(14)上下两端分别套有上磁性套(31)和下磁性套(34);所述的间隙(35)位于上磁性套(31)和顶端磁环(32)之间,也位于底端磁环(33)和下磁性套(34)之间;共轴定位相机(16)位于顶端磁环(32)正上方;所述的纳米打印模块包括高速相机(2)、绝缘平板(8)、光源(9)、绝缘柱(10)、实验平台(11)、电源(12)、内液(19)、内液注射器(20)、内液泵(21)、外液(23)、外液注射器(24)、外液泵(25);所述的绝缘平板(8)固定在x运动轴(6)上;所述的绝缘柱(10)垂直固定在绝缘平板(8)的四个角上;所述的光源(9)位于绝缘平板(8)的一侧;所述的实验平台(11)位于四个绝缘柱(10)组成的平面上;所述的含有内液(19)的内液注射器(20)固定在内液泵(21)上;所述的含有外液(23)的外液注射器(24)固定在外液泵(25)上;所述的电源(12)为y轴步进电机(3)、x轴步进电机(7)、z轴步进电机(18)、内喷针(14)、外喷头(28)提供电压;高速相机(2)位于外喷头(28)的一侧;一种喷针共轴的纳米打印方法,其特征在于,步骤如下:第一步,实现内喷针与外喷头共轴打开电源(12)开关,向x轴步进电机(7)、y轴步进电机(3)、z轴步进电机(16)供电,在x轴步进电机(7)、y轴步进电机(3)、z轴步进电机(16)的运动下,对实验平台(11)复位;移动精调位移台(30),并带动顶端夹具(15)移动,使顶端夹具(15)内孔和底端夹具(13)内孔的轴线在一条直线上;将上磁性套(31)和下磁性套(34)分别套在内喷针(14)上下两端;带有上磁性套(31)、下磁性套(34)的内喷针(14)依次插入顶端夹具(15)内孔、底端夹具(13)内孔,并穿过外喷头(28);向顶端磁环(32)、底端磁环(33)通电,顶端磁环(32)、底端磁环(33)实现电磁转换,并使顶端磁环(32)与上磁性套(31)带有相同磁性,底端磁环(33)与下磁性套(34)带有相同磁性;此时,带有上磁性套(31)、下磁性套(34)的内喷针(14)在顶端磁环
(32)、底端磁环(33)的同性磁力排斥下发生移动,内喷针(14)悬浮在顶端夹具(15)、底端夹具(13)中心线上,内喷针(14)与顶端夹具(15)、底端夹具(13)产生间隙(35),实现内喷针(14)与外喷头(28)共轴;第二步,喷针共轴纳米打印内液注射器(20)吸入内液(19),并在内液泵(21)的推压下进入内喷头(29)中;外液注射器(24)吸入外液(23),并在外液泵(25)的推压下进入外喷头(28)中;电源(12)向内喷头(29)、外喷头(28)提供高电压,此时内液(19)和外液(23)带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成纳米射流;高速相机(2)观察射流行为;配合y轴步进电机(3)、x轴步进电机(7)、z轴步进电机(18)的运动,纳米射流沉积到实验平台(11)上,实现纳米打印。

技术总结
本发明属于先进制造技术领域,提供一种喷针共轴的纳米打印方法。将套有磁性套的内喷针依次插入顶端夹具、底端夹具、外喷头,通有电的磁性套实现电磁转换,产生与磁环相同的磁性,带有磁性套的内喷针在磁环同性磁力排斥下发生移动,内喷针悬浮在顶端夹具、底端夹具中心线上,实现内喷针与外喷头共轴,电源向内喷头、外喷头提供高电压,内液和外液带有电荷,两种溶液同时受到电场力,并相互约束形成纳米射流,实现纳米打印。此方法具有定位精度高、结构简单、成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员:李凯 王晓英
受保护的技术使用者:宁波大学
技术研发日:2022.08.04
技术公布日:2022/12/8
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