實(shí)驗(yàn)名稱：桌面型噴印平臺(tái)開發(fā)及其軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試目的：在實(shí)驗(yàn)室搭建的電流體噴印原理樣機(jī)上驗(yàn)證了壓電-電流體噴頭的可行性，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度低無(wú)法保證墨滴的準(zhǔn)確定位，觀測(cè)相機(jī)放大倍數(shù)不足難以看清楚噴嘴和基板之間的準(zhǔn)確間距，從而影響打印的效果。因此需要證更加先進(jìn)的電流體噴印裝備來(lái)驗(yàn)證壓電-電流體噴頭的性能和指標(biāo)。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、精密流量泵、觀測(cè)相機(jī)、噴頭等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：桌面型電流體噴印平臺(tái)：(a)電流體噴印平臺(tái)整體外觀、(b)電流體噴印平臺(tái)硬件構(gòu)成

桌面型電流體噴印平臺(tái)的硬件組成按照不同的功能模塊系統(tǒng)可以劃分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、噴嘴系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，各個(gè)模塊的詳細(xì)組成如圖1(b)所示。

1）噴嘴系統(tǒng)：噴頭是一個(gè)噴印設(shè)備的核心部件，對(duì)于電流體噴印設(shè)備亦是如此。桌面型電流體噴印平臺(tái)的噴頭系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，包括供墨模塊、電壓驅(qū)動(dòng)模塊、噴頭模塊，各個(gè)模塊的具體功能如下所示。

噴頭模塊：由一個(gè)容積為1mL的注射器作為儲(chǔ)液腔和一個(gè)點(diǎn)膠針頭構(gòu)成，能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)噴和紡絲工藝。

供墨模塊：供墨模塊在噴印設(shè)備中起著供給墨水的作用。使用過(guò)程中噴頭模塊裝夾在精密流量泵的推動(dòng)裝置上，啟動(dòng)精密流量泵后，精密流量泵上的推桿會(huì)推動(dòng)噴頭模塊的活塞運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)溶液的供給。精密流量泵可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的設(shè)定，控制噴頭模塊的快進(jìn)和快退。

電壓模塊：桌面型電流體噴印平臺(tái)中的電壓模塊用來(lái)給噴嘴和基板之間施加高壓，使得噴嘴和基板之間形成穩(wěn)定的靜電場(chǎng)從而實(shí)現(xiàn)電流體噴印。電壓模塊由一個(gè)函數(shù)發(fā)生器和一個(gè)高壓放大器構(gòu)成。函數(shù)發(fā)生器作為信號(hào)源，輸出的波形作為高壓放大器的輸入，函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生直流、方波、正弦波和三角波等，可以通過(guò)調(diào)節(jié)幅值、頻率和占空比等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出波形的形態(tài)。高壓放大器的放大倍數(shù)為1000倍，函數(shù)發(fā)生器輸出0~5V的波形信號(hào)，輸入高壓放大器后，可以得到0~5000V的高壓電，能夠滿足電流體噴印所需的電壓。

2）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

桌面型電流體噴印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括X、Y軸兩個(gè)高精度的直線電機(jī)和Z軸的手動(dòng)滑臺(tái)。直線電機(jī)的定位精度為5μm，重復(fù)定位精度為2μm，能夠滿足壓電-電流體噴頭的實(shí)驗(yàn)需求。X、Y電機(jī)通過(guò)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ)、二次樣條曲線插補(bǔ)指令，因此能夠完成各種運(yùn)動(dòng)軌跡。噴嘴系統(tǒng)中的供墨模塊和Z軸固定在一起，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)滑臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)噴嘴和基板之間的距離。

3）視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)是噴印設(shè)備中不可或缺的一部分，通過(guò)視覺系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)的觀測(cè)噴射過(guò)程中噴嘴的狀態(tài)和墨滴飛行的狀態(tài)。桌面型電流體噴印平臺(tái)的視覺系統(tǒng)包括射流觀測(cè)相機(jī)和定位觀測(cè)相機(jī)。

4）控制系統(tǒng)

桌面型電流體噴印平臺(tái)的控制系統(tǒng)包括控制電路部分和電機(jī)控制器。電機(jī)控制器通過(guò)WLAN口和上位機(jī)進(jìn)行通信。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)中開發(fā)了高度集成的桌面型電流體噴印軟件系統(tǒng)。首先詳細(xì)的介紹了桌面型電流體噴印平臺(tái)的硬件構(gòu)成并分析了每一項(xiàng)指標(biāo)，驗(yàn)證了桌面型電流體噴印平臺(tái)的硬件指標(biāo)滿足壓電-電流體噴頭的實(shí)驗(yàn)需求。

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審核編輯 黃宇