用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统

本技术属于电流体喷印，具体涉及用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统。

背景技术：

1、电流体动力喷印技术是通过在喷头和与之相对的基板之间施加高强电场，使喷孔处的弯液面在电场“尖端效应”的作用下逐渐充液变为轴对称的圆锥状液面，当圆锥状液面尖端所受到的电应力足以克服液面本身的表面张力时，墨水以锥顶射流的形式，形成微细的射流。锥顶射流可保证打印的墨滴直径小于喷孔直径。利用微米级大小的喷孔，即可实现亚微米线宽的高精度打印。另外，相较于传统的只能打印低粘度墨水的喷墨打印技术，其允许的墨水粘度范围可宽至1-10000cp，在打印高粘度墨水方面具有其独特的优势。目前，电流体动力喷印技术在微纳器件封装、柔性电路以及柔性显示等前沿科研领域具有巨大的应用潜力。

2、虽然，电流体动力喷射技术具有打印精度高，允许墨水粘度范围大等优势，但打印频率通常为百赫兹甚至更低，使其目前只能作为一个科研工具而不是成熟的商业化制造工艺。cn116100956a提出了一种基于受约束界面振荡的超高频电流体动力喷射方法；与传统的电流体打印不同的是，该方法在毛细玻璃管外壁上耦合了一片状或者管状的压电陶瓷。当对压电陶瓷施加的电信号激励频率与管道内流体的固有谐振频率相同时，管道内压力波发生谐振现象，利用管道内往复传播的压力波，实现了弯液面在微米级喷孔处的高频振荡；该高频振荡不仅加速了泰勒锥的形成，还消除了射流后液面振荡，实现了可控的兆赫兹量级的连续电流体动力喷射，以及几万赫兹的的飞升以及阿升液滴的按需喷射打印，将传统ehd的打印效率提升了2～3个数量级。

3、虽然上述的技术将传统ehd的打印效率提升到了兆赫兹量级，但是其喷头制作过程比较繁琐。玻璃管在拉制以后，还需要利用环氧树脂或者其他的可固化的胶水，在其外壁上粘贴上一个片状或者管状压电陶瓷。首先，喷头制作过程繁琐，上述玻璃喷头需要使用环氧树脂在外壁上耦合一个片状或管状压电陶瓷，粘结剂的调制和压电陶瓷与储墨管耦合通常需要十几个小时才能完成，极大的降低了喷头的制作效率。由于喷头的尖端直径通常仅为几个微米，甚至亚微米，极易被墨水中的微小颗粒堵塞，如果不能有效解堵，则只能将包括压电陶瓷在内的整个喷头废弃。另外，对于微米以及亚微米的喷头，其在误碰、设备振动，以及操作不当(如背压过大)等情况下，极易破碎；所以，采用毛细玻璃管拉制的喷头为易损件，打印过程中需将其作为耗材使用。喷头可由毛细玻璃管经拉针仪拉制而成，其制作成本较为低廉，而压电陶瓷的市售价格则较高，由于目前所采用的喷头结构导致用户的使用成本较高，因此亟需开发一种低成本且喷头可快速更换的喷头安装及驱动结构。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提出用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、用于受约束表面振荡电流体动力喷射打印的喷头结构，包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，所述压电陶瓷固定在驱动管的外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；所述喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。

3、进一步地，所述压电陶瓷为贴在驱动管外壁上的片状压电陶瓷或套设在驱动管外壁上的管状压电陶瓷。

4、进一步地，所述压电陶瓷通过环氧树脂或可固化的胶水实现与驱动管外壁的机械耦合。

5、进一步地，所述驱动管为毛细玻璃管，其下端镀有一层金属导电膜且连接有导线，所述套筒侧壁上设有开口，导线从所述开口伸出。

6、进一步地，所述喷头主体为与驱动管具有相同内外径的玻璃管，其下端逐渐收缩。

7、进一步地，所述套筒内径小于驱动管和喷头主体的外径，以保证套筒与驱动管、喷头主体之间的紧密配合。

8、打印系统，包括如上所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，还包括夹持机构、供液单元、信号发生单元以及高压电源单元，所述夹持机构用于将喷头结构固定在移动平台上方，移动平台上设有承印面，所述供液单元采用注射泵，注射泵通过进液软管与驱动管的进液端连接，所述注射泵具备控制墨水流量以及调节背压的功能。

9、进一步地，所述信号发生单元的两个输出端分别通过导线与压电陶瓷的正负极连接，信号发生单元为信号发生器、单片机或能够产生低压脉冲的设备。

10、进一步地，所述高压电源单元正极通过导线与金属导电膜连接，负极与移动平台相连接，高压电源单元为高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源。

11、进一步地，所述夹持机构包括两个合板，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，喷头结构的封装套嵌设在竖直通孔中。

12、本实用新型带来的有益技术效果：

13、1、喷头可以随时快速更换。通过简单的插拔，即可快速的更换堵塞、损坏或者喷孔大小不合适的喷头。

14、2、喷头结构简单、制作方便，制作成本低。本实用新型通过将喷头结构中容易损坏的部分和喷头驱动部分一分为二，再利用套筒将两部分连接。相较于原来采用的一体式喷头(压电陶瓷与锥状玻璃管直接耦合的喷头)，喷头堵塞或者损坏之后只需更换前端的玻璃管即可，无需舍弃压电陶瓷。大大降低了用户的使用成本。同时，相较于一体式喷头，本喷头安装及驱动结构所需的喷头制作过程简单，只需通过拉制即可完成，无需粘贴压电陶瓷，大大缩短了喷头的制作周期。

15、综上，该喷头结构解决了当前的受约束表面振荡电流体动力喷射喷头制备工艺复杂、耗时的问题，可大大缩短用户制作喷头所需的时间，降低用户的使用成本。

技术特征：

1.用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，所述压电陶瓷固定在驱动管外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；所述喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。

2.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述压电陶瓷为贴在驱动管外壁上的片状压电陶瓷或套设在驱动管外壁上的管状压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述压电陶瓷通过环氧树脂或可固化的胶水实现与驱动管外壁的机械耦合。

4.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述驱动管为毛细玻璃管，其下端镀有一层金属导电膜且连接有导线，所述套筒侧壁上设有开口，导线从所述开口伸出。

5.根据权利要求4所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述喷头主体为与驱动管具有相同内外径的玻璃管，其下端逐渐收缩。

6.根据权利要求1所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，其特征在于，所述套筒内径小于驱动管和喷头主体的外径，以保证套筒与驱动管、喷头主体之间的紧密配合。

7.一种打印系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构，还包括夹持机构、供液单元、信号发生单元以及高压电源单元，所述夹持机构用于将喷头结构固定在移动平台上方，移动平台上设有承印面，所述供液单元采用注射泵，注射泵通过进液软管与驱动管的进液端连接。

8.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述信号发生单元的两个输出端分别通过导线与压电陶瓷的正负极连接，信号发生单元为信号发生器、单片机或能够产生低压脉冲的设备。

9.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述高压电源单元正极通过导线与金属导电膜连接，负极与移动平台相连接，高压电源单元为高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源。

10.根据权利要求7所述的打印系统，其特征在于，所述夹持机构包括两个合板，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，喷头结构的封装套嵌设在竖直通孔中。

技术总结本技术公开了用于受约束表面振荡电流体打印的喷头结构及打印系统，该喷头结构包括喷头主体、驱动管、压电陶瓷、封装套和套筒，压电陶瓷固定在驱动管外壁上，驱动管和压电陶瓷封装在封装套内；所述驱动管上端为进液端，进液端连接有进液软管，驱动管下端伸入套筒内；喷头主体上端伸入套筒内，其上端面与驱动管下端面相接触。本技术解决了当前的受约束表面振荡电流体动力喷射喷头制备工艺复杂、耗时的问题，可大大缩短用户制作喷头所需的时间，降低用户的使用成本。技术研发人员：张彦振,李子豪,王继德,胡国放,李德格,贺炜威,吴玉尧,董行,艾白布·阿不力米提,刘永红,纪仁杰,蔡宝平受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：20230828技术公布日：2024/4/22