基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及製造裝置製造方法

2023-06-08 19:30:51 1

基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及製造裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型是一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及製造裝置。基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺是通過陣列噴頭電紡直寫技術先直寫規則排列的不導磁聚合物纖維，形成一層不導磁的薄膜作為基板，然後直寫規則排列的混有硬磁物質顆粒的聚合物纖維，形成結構規律均勻分布的表面有磁性的薄膜作為磁性尺，在磁性薄膜上用錄磁頭錄製磁波，從而製成磁柵尺。可根據被測精度的要求在安裝測量磁柵尺時改變磁柵尺精度。又由於聚合物電紡薄膜具有很強的吸附性，因此電紡直寫精度可變磁柵尺可吸附在被測工件上，隨被測工件同步膨脹或收縮，對環境的改變有很強的適應性。陣列噴頭電紡直寫技術可高精度直寫多根電紡沉積，在保證生產精度的前提下生產效率高。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及製造裝置，屬於微 納級位移傳感監測工具加工製造領域，特別是屬於微納三維快速成型領域。 基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及製造裝置

【背景技術】
[0002] 高壓靜電紡絲技術，是國內外最近十幾年發展起來的用於製備超細纖維的重要方 法。電紡絲技術最早由Formhzls在1934年提出，隨後Taylor等人於1964年對靜電紡絲 過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念，直到上個世紀90年代人們開始廣泛關 注電紡絲技術。孫道恆等人於2006年提出了近場電紡直寫技術，近場電紡直寫技術具有可 靠的沉積精度，且參數可控，為電紡納米纖維產業開拓了一種新的方法。
[0003] 在20世紀80年代中期，SLS被在美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士 開發出來並獲得專利，項目由DARPA贊助的。1979年，類似過程由RF Housholder得到專 利，但沒有被商業化。1995年，麻省理工的E Sachs，M Cima和J Cornie創造了"三維列印" 一詞。隨著三維列印精度的提高，三維列印可以最大限度地發揮材料的特性，只把材料放在 有用的地方，減少材料的浪費。隨著三維列印速率的提高，可以加快生產，讓三維列印技術 可以投入在工業生產中。近年來，三維列印技術有了巨大的進步，很多設備都付諸了工業應 用，開創了直接數字製造的時代。隨著三維列印精度與列印速度的進一步提高，未來三維打 印將得到進一步的普及運用。
[0004] 磁柵尺是磁柵數顯系統的基準元件，波長是磁柵尺的長度計量單位，任一被測長 度都可用其對應的若干磁柵波長之和來表不。磁柵尺是在非導磁材料商塗一層10-20um的 硬磁物質。


【發明內容】

[0005] 本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可 變磁柵尺。本實用新型有很高的吸附性能，可以吸附在測量器件上，隨器件的熱脹冷縮而變 化，其精度受環境影響小。
[0006] 本實用新型的另一目的在於提供一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的 製造裝置。本實用新型所述基於電感效應的微納級電磁柵尺的製造裝置，是陣列式近場電 紡直寫設備，具有良好的自動控制性能，可以用作三維快速成型。
[0007] 本實用新型的技術方案是：本實用新型基於陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵 尺，包括不導磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導磁薄膜基板上，並在磁性薄膜上 錄磁製成磁柵尺。
[0008] 本實用新型基於陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺的製造裝置，包括有XY平 面運動平臺、Z軸運動導軌、陣列噴頭、注射泵、高壓電源、高壓電源控制器、注射泵控制器、Z 軸運動控制器、XY運動平臺控制器、電紡控制器、微電流檢測器，其中XY平面運動平臺用 於提供電紡平臺，並提供XY平面方向的相對運動；Z軸運動導軌用於提供Z方向的距離控 制；用於實施電紡的陣列噴頭與注射泵連接，注射泵與注射泵控制器連接，注射泵控制器用 於控制注射泵的工作狀態；高壓電源用於為陣列噴頭提供電壓，且高壓電源與高壓電源控 制器連接，高壓電源控制器用於控制高壓電源的工作狀態；用於控制Z軸導軌的運動狀態 的Z軸運動控制器與Z軸導軌的驅動裝置連接；用於控制XY平面運動平臺的工作狀態的 XY平臺運動控制器與XY平面運動平臺的驅動裝置連接；用於檢測電紡電流參數的微電流 檢測器裝設在平面運動平臺的旁側，微電流檢測器將檢測的電紡電流參數反饋給用於確定 電紡狀態並調節電紡參數的電紡控制器，高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、 XY運動平臺控制器與電紡控制器連接，電紡控制器用於在生產製造中協調控制高壓電源控 制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器的控制狀態。
[0009] 本實用新型與現有技術相比，具有如下優點：
[0010] 1)本實用新型所述基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，完全由高分子聚合物 電紡直寫而成，有很高的吸附性能；
[0011] 2)本實用新型所述基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，材料分布均勻且其結 構與二維彈簧類似，可以均勻的拉伸一定長度，從而改變其柵線精度；
[0012] 3)本實用新型所述基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，可以吸附在測量器件 上，隨器件的熱脹冷縮而變化，其精度受環境影響小；
[0013] 4)本實用新型所述基於電感效應的微納級電磁柵尺的製造裝置，是陣列式近場電 紡直寫設備，具有良好的自動控制性能，可以用作三維快速成型。
[0014] 5)本實用新型所述基於電感效應的微納級電磁柵尺製造方法，基於陣列噴頭近場 電紡直寫技術，加工精度高，加工效率也高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為陣列噴頭近場電紡直寫裝置示意圖。
[0016] 圖2為陣列噴頭噴孔分布示意圖。
[0017] 圖3為精度可變磁柵尺製造方法流程圖。
[0018] 圖4為噴頭路線示意圖。
[0019] 圖5為一層納米纖維薄膜示意圖。
[0020] 圖6為精度可變磁柵尺示意圖。
[0021] 圖7為拉伸後的精度可變磁柵尺示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 實施例：
[0023] 本實用新型基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的結構示意圖如圖6所示，包 括不導磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導磁薄膜基板上，並在磁性薄膜上錄磁 製成磁柵尺。
[0024] 上述精度可變磁柵尺具有均勻的彈性結構。
[0025] 上述不導磁薄膜基板和磁性薄膜沉積材料相同，沉積結構相同，且沉積分布均勻。
[0026] 上述不導磁薄膜基板是通過多噴頭電紡有序沉積不導磁聚合物形成的不導磁薄 膜；磁性薄膜是由上述同一種聚合物混入硬磁材料顆粒後通過陣列噴頭近場電紡直寫形 成。
[0027] 本實用新型基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的製造裝置，包括有XY平面 運動平臺1、Ζ軸運動導軌2、陣列噴頭3、注射泵4、高壓電源5、高壓電源控制器6、注射泵 控制器7、Ζ軸運動控制器8、ΧΥ運動平臺控制器9、電紡控制器10、微電流檢測器11，其中 ΧΥ平面運動平臺1用於提供電紡平臺，並提供ΧΥ平面方向的相對運動；Ζ軸運動導軌2用 於提供Ζ方向的距離控制；用於實施電紡的陣列噴頭3與注射泵4連接，注射泵4與注射 泵控制器7連接，注射泵控制器7用於控制注射泵4的工作狀態；高壓電源5用於為陣列噴 頭3提供電壓，且高壓電源5與高壓電源控制器6連接，高壓電源控制器6用於控制高壓電 源5的工作狀態；用於控制Ζ軸導軌2的運動狀態的Ζ軸運動控制器8與Ζ軸導軌2的驅 動裝置連接；用於控制ΧΥ平面運動平臺1的工作狀態的ΧΥ平臺運動控制器9與ΧΥ平面運 動平臺1的驅動裝置連接；用於檢測電紡電流參數的微電流檢測器11裝設在平面運動平臺 1的旁側，微電流檢測器11將檢測的電紡電流參數反饋給用於確定電紡狀態並調節電紡參 數的電紡控制器10,高壓電源控制器6、注射泵控制器7、Ζ軸運動控制器8、ΧΥ運動平臺控 制器9與電紡控制器10連接，電紡控制器10用於在生產製造中協調控制高壓電源控制器 6、注射泵控制器6、Ζ軸運動控制器8、ΧΥ運動平臺控制器9的控制狀態。
[0028] 其中，陣列噴頭3的噴孔分布如圖2所示。其噴孔陣列總共有50列，20行，總共 1000個噴孔。其噴孔直徑為0· 1mm，在X方向噴孔中心距為0· 15mm，Y方向噴孔中心距也為 0. 15mm。每行之間錯位0. 0075mm，故最後沉積納米纖維在X方向上中心線距也為0. 0075mm。 每列之間錯位0. 003mm，故最後沉積納米纖維在Y方向上中心線距也為0. 003mm。
[0029] 本實用新型所述精度可變磁柵尺的製造方法流程圖如圖3所示，該製造方法包括 以下步驟：
[0030] 12)製作不導磁基板：即在陣列噴頭近場電紡直寫平臺上通過陣列噴頭近場電紡 直寫的方法沉積一定厚度不導磁聚合物形成的不導磁薄膜；
[0031] 13)覆蓋磁性薄膜：即在通過陣列噴頭近場電紡直寫的方法沉積一定厚度混有硬 磁材料聚合物形成的不導磁薄膜；
[0032] 14)錄磁：去除首尾兩端，用錄磁磁頭在磁性薄膜上記錄磁極，N極和S極相間變 化。
[0033] 上述步驟12)在進行不導磁薄膜製造時，陣列噴頭3按照正S型進行近場直寫電 紡，其噴頭路線示意圖如圖4所示，其沉積一層納米纖維薄膜，重複多次直到薄膜厚度達到 指定厚度時停止，完成不導磁薄膜製造。本實施例中，陣列噴頭3每次X方向上行進7. 5mm，Y 方向上行進15mm，執行η次，其沉積一層納米纖維薄膜示意圖如圖5所示。重複多次直到薄 膜厚度達到0. 5-1_時停止，完成不導磁薄膜製造。然後，將聚合物中混雜鎳-鈷合金高導 磁性材料顆粒，上述步驟13)用同樣的工藝，在不導磁薄膜上覆蓋一層10-20um厚的磁性薄 膜。上述步驟14)去除首尾兩端，用錄磁磁頭完成錄磁過程，即在磁性薄膜上記錄磁極，N極 和S極相間變化，最終形成的磁柵尺如圖6所示，上述步驟13)因為形成的薄膜內部結構與 二維彈簧類似，且分布均勻，因此其彈性是線性，因此將其拉長之後，其柵距變化是均勻的， 且變化與拉長量呈線性關係，拉長後磁柵尺示意圖如圖7所示。
[0034] 本實施例中，上述陣列噴頭每行每列都有一定量的錯位，因此在進行X方向或Y方 向的電紡直寫時，避免了電紡絲線的重疊沉積，採用陣列噴頭進行近場電紡直寫加工，不僅 生產精度高而且生產效率好。
[0035] 本實用新型精度可變磁柵尺由於採用通過陣列式噴頭的近場電紡直寫技術直寫 不導磁高分子聚合物薄膜作為磁柵尺基底；在聚合物溶液中添加硬磁物質顆粒通過陣列式 噴頭的近場電紡技術直寫磁性薄膜；並在磁性薄膜上用錄磁磁頭記錄磁極的結構，該精度 可變磁柵尺完全由高分子聚合物電紡直寫而成，有很高的吸附性能，材料分布均勻且其結 構與二維彈簧類似，可以均勻的拉伸一定長度，從而改變其柵線精度，且可以吸附在測量器 件上，隨器件的熱脹冷縮而變化，其精度受環境影響小。本實用新型變磁柵尺製造裝置，採 用陣列噴頭進行直寫，加工效率高，能夠較好的實現自動化控制，可用於基於陣列噴頭的三 維快速成型。
[0036] 本實用新型精度可變磁柵尺製造方法，採用陣列噴頭近場電紡直寫不導磁高分子 聚合物薄膜作為基底，在不導磁薄膜基底上採用陣列噴頭近場電紡直寫混有導磁材料顆粒 的高分子聚合物薄膜，本實用新型方法製作的精度可變磁柵尺，全部由高分子聚合物電紡 製成，具有良好的吸附性能，其組成結構分布均勻，且類似於二維彈簧，具有良好的線性彈 性，精度可變。
[0037] 本實用新型的工作原理如下：
[0038] 本實用新型近場電紡可以實現直徑由納米級到微米級範圍內近百種不同聚合物 納米纖維、各種類型聚合物、無機物複合納米纖維及無機納米纖維的製備。
[0039] 本實用新型陣列式噴頭採用近場電紡直寫技術進行快速成型。將噴頭噴針接高壓 正極，平臺作為接收板接負極。在沒加電壓時，噴嘴處聚合物溶液在針頭由於表面張力和重 力的作用呈球狀液滴，在電場力作用下，溶液中不同的離子或分子中具有極性的部分將向 不同的方向聚集，噴嘴處的液滴表面就會聚集陽離子或分子中的缺電子部分。接通高壓電 源，在噴嘴處的液滴就會從球狀液滴被拉長為錐狀，也就是所謂的"泰勒錐"。在此，帶電液 滴在穩定落下5mm之後產生一個震蕩、不穩定的噴射流階段，因此保持噴頭與加工面的距 離在5_之內的位置，在液滴滴落過程中溶劑會迅速揮發，在指定位置最終得到成形的纖 維成型。
[0040] 本實用新型近場電紡直寫技術成膜分布均勻，內部結構有序，有良好的彈性和吸 附性能。用陣列式噴頭實施電紡成型，加工效率高，成型精度好。陣列式噴頭所走路徑為循 環的正S型，其電紡納米纖維線排布與二維彈簧相似。
[0041] 本實用新型陣列噴頭的噴嘴呈斜線交錯分布，因此進行X軸或Y軸方向的直寫走 位時，沉積聚合物不會重疊堆置在一起。紡完一層膜之後，下一次膜位置應與第一次交錯分 布，這樣可以保證最終成膜的均勻性。
【權利要求】
1. 一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，其特徵在於包括不導磁薄膜基板和磁 性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導磁薄膜基板上，並在磁性薄膜上錄磁製成磁柵尺。
2. 根據權利要求1所述的基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，其特徵在於上述精 度可變磁柵尺具有均勻的彈性結構。
3. 根據權利要求1所述的基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，其特徵在於上述不 導磁薄膜基板和磁性薄膜沉積材料相同，沉積結構相同，且沉積分布均勻。
4. 一種基於陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的製造裝置，所述基於陣列噴頭電紡直 寫精度可變磁柵尺包括不導磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導磁薄膜基板上， 並在磁性薄膜上錄磁製成磁柵尺，其特徵在於包括有XY平面運動平臺（1 )、Z軸運動導軌 (2)、陣列噴頭（3)、注射泵（4)、高壓電源（5)、高壓電源控制器（6)、注射泵控制器（7)、Z軸 運動控制器（8)、XY運動平臺控制器（9)、電紡控制器（10)、微電流檢測器（11)，其中XY平 面運動平臺（1)用於提供電紡平臺，並提供ΧΥ平面方向的相對運動；Ζ軸運動導軌（2)用於 提供Ζ方向的距離控制；用於實施電紡的陣列噴頭（3)與注射泵（4)連接，注射泵（4)與注 射泵控制器（7 )連接，注射泵控制器（7 )用於控制注射泵（4 )的工作狀態；高壓電源（5 )用 於為陣列噴頭（3)提供電壓，且高壓電源（5)與高壓電源控制器（6)連接，高壓電源控制器 (6)用於控制高壓電源（5)的工作狀態；用於控制Ζ軸導軌（2)的運動狀態的Ζ軸運動控制 器（8)與Ζ軸導軌（2)的驅動裝置連接；用於控制ΧΥ平面運動平臺（1)的工作狀態的ΧΥ平 臺運動控制器（9)與ΧΥ平面運動平臺（1)的驅動裝置連接；用於檢測電紡電流參數的微電 流檢測器（11)裝設在平面運動平臺（1)的旁側，微電流檢測器（11)將檢測的電紡電流參數 反饋給用於確定電紡狀態並調節電紡參數的電紡控制器（10)，高壓電源控制器（6)、注射 泵控制器（7)、Ζ軸運動控制器（8)、ΧΥ運動平臺控制器（9)與電紡控制器（10)連接，電紡控 制器（10)用於在生產製造中協調控制高壓電源控制器（6)、注射泵控制器（6)、Ζ軸運動控 制器（8)、ΧΥ運動平臺控制器（9)的控制狀態。
【文檔編號】G01B7/02GK203893808SQ201420121597
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】王晗, 李敏浩, 陳新, 陳新度, 朱自明, 唐立虎, 李炯傑, 巫孟良 申請人:廣東工業大學