實驗名稱：桌面型噴印平臺開發(fā)及其軟件設計

測試目的：在實驗室搭建的電流體噴印原理樣機上驗證了壓電-電流體噴頭的可行性，但是在實驗中發(fā)現(xiàn)所使用的實驗平臺運動精度低無法保證墨滴的準確定位，觀測相機放大倍數(shù)不足難以看清楚噴嘴和基板之間的準確間距，從而影響打印的效果。因此需要證更加先進的電流體噴印裝備來驗證壓電-電流體噴頭的性能和指標。

測試設備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、精密流量泵、觀測相機、噴頭等。

實驗過程：

圖1：桌面型電流體噴印平臺：(a)電流體噴印平臺整體外觀、(b)電流體噴印平臺硬件構成

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

1）噴嘴系統(tǒng)：噴頭是一個噴印設備的核心部件，對于電流體噴印設備亦是如此。桌面型電流體噴印平臺的噴頭系統(tǒng)是一個復合系統(tǒng)，包括供墨模塊、電壓驅動模塊、噴頭模塊，各個模塊的具體功能如下所示。

噴頭模塊：由一個容積為1mL的注射器作為儲液腔和一個點膠針頭構成，能夠用來實現(xiàn)點噴和紡絲工藝。

供墨模塊：供墨模塊在噴印設備中起著供給墨水的作用。使用過程中噴頭模塊裝夾在精密流量泵的推動裝置上，啟動精密流量泵后，精密流量泵上的推桿會推動噴頭模塊的活塞運動從而實現(xiàn)溶液的供給。精密流量泵可以通過上位機進行控制，來實現(xiàn)流量的設定，控制噴頭模塊的快進和快退。

電壓模塊：桌面型電流體噴印平臺中的電壓模塊用來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)定的靜電場從而實現(xiàn)電流體噴印。電壓模塊由一個函數(shù)發(fā)生器和一個高壓放大器構成。函數(shù)發(fā)生器作為信號源，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，可以通過調節(jié)幅值、頻率和占空比等參數(shù)來調節(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，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）運動系統(tǒng)

桌面型電流體噴印平臺的運動系統(tǒng)包括X、Y軸兩個高精度的直線電機和Z軸的手動滑臺。直線電機的定位精度為5μm，重復定位精度為2μm，能夠滿足壓電-電流體噴頭的實驗需求。X、Y電機通過控制器能夠實現(xiàn)直線插補、二次樣條曲線插補指令，因此能夠完成各種運動軌跡。噴嘴系統(tǒng)中的供墨模塊和Z軸固定在一起，通過手動調節(jié)滑臺來調節(jié)噴嘴和基板之間的距離。

3）視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)是噴印設備中不可或缺的一部分，通過視覺系統(tǒng)可以動態(tài)的觀測噴射過程中噴嘴的狀態(tài)和墨滴飛行的狀態(tài)。桌面型電流體噴印平臺的視覺系統(tǒng)包括射流觀測相機和定位觀測相機。

4）控制系統(tǒng)

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

實驗結果：

實驗中開發(fā)了高度集成的桌面型電流體噴印軟件系統(tǒng)。首先詳細的介紹了桌面型電流體噴印平臺的硬件構成并分析了每一項指標，驗證了桌面型電流體噴印平臺的硬件指標滿足壓電-電流體噴頭的實驗需求。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇