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新型电磁铁驱动的撞针式微滴喷射装置

作者:创始人 日期:2019-10-22 人气:535

0 引 言
       微液滴喷射技术是近年来发展起来的一种新的快速成型技术,其基本原理为:用外力迫使成形材料以微细液滴 (或液流)的形式从小孔 (或喷嘴)喷射至底座平台上,逐点沉积、分层累加,从而形成具有特定几何形状的二维图形、点阵或三维实体[1]。
       微液滴喷射技术的优势较多,首先该技术的喷射材料种类多,理论上可以喷射各种液体材料以及加热后变为熔融态或液态的固体材料等。同时,该技术具有成本低、能耗小的优点[2]。其应用领域广泛,目前,该技术广泛应用于生物医学、微结构制造、功能梯度材料的制备、微电子封装、受损结构件的修复等[3-5]。
       目前,压电驱动撞针式喷射装置最为常见,该类型装置主要由压电致动器、放大机构、撞针、阀体、喷嘴和储液筒等构成[6]。压电致动器嵌于放大机构内部,其输出位移经放大机构放大后转化为撞针竖向振幅;储液筒内的胶体经上部高压空气驱动,不断挤入阀体通道内[7]。对比于常见的压电驱动装置,目前以电磁铁驱动的喷射装置较为少见,相对于压电驱动装置,电磁铁驱动的喷射装置无需放大机构,其结构相对简单、成本较低[8-9]。为此专门设计了一种基于电磁铁驱动的撞针式微滴喷射装置,实现了一定粘度下液滴的稳定喷射。
1 微滴喷射装置结构设计及分析
       为实现液滴持续喷射的目的,该喷射装置基于电磁铁驱动,采用撞针式结构,对比于一般的压电驱动的撞针式结构,该设计在整体上结构简单、成本较低、易于加工,可实现液滴的稳定喷射。
1.1 装置结构设计及工作原理
       该微滴喷射装置结构如图1所示,其主要由电磁铁、滑轨、撞针、喷嘴、弹簧、垫圈和上下阀体几个部分构成。电磁铁通电以后其衔铁块向上撞击横梁带动撞针向上抬起。通过电磁铁的驱动可使撞针间歇式撞击安装在下阀体底部的喷嘴,从而实现液滴的稳定喷射。将电磁铁安装在竖直滑轨上,可上下滑动电磁铁,从而控制电磁铁行程,进一步可控制撞针撞击喷嘴的力度。

       电磁铁安装在竖直滑轨上,电磁铁接收到高电平后其衔铁块向上撞击横梁,从而带动撞针向上抬起。初始时刻,液体充满下阀体通道,撞针上部受到弹簧的压力紧靠在喷嘴底部,并封住喷嘴出口。当电磁铁被施以高电平,电磁铁向上运动,撞针向上抬起,此时喷嘴打开,下阀体内的液体填充撞针上移所形成的空隙,并使一定量的液体流入喷头中的玻璃微针;当电磁铁被施以低电平,电磁铁收缩,同时在弹簧回复力的作用下,撞针向下高速撞击喷嘴内胶体,并封住喷口,被挤在喷嘴内的液体在惯性力作用下喷射出去,形成液滴;在脉冲信号高低电平交替作用下,撞针不断上下往复,从而实现液滴的可持续喷射。
       根据喷射液体粘度的变化,所需撞针撞击的力度也需要变化,可以通过更换不同性质的弹簧来实现撞针撞击力度的改变。
1.2 撞针撞击结构
       如图1中所示,撞针分为上下两个部分,中间以铁片分离。弹簧套在撞针上半部分装入上阀体内,当撞针向上抬起时弹簧收缩,之后在弹簧的推力和撞针自身重力的作用下实现撞针的向下撞击。上下阀体通过螺纹连接,下阀体内存放待喷射液体。装置的上下阀体可随时拆卸、安装,上阀体内套在撞针上半部分的弹簧可以根据所需喷射液体的特性进行更换。
1.3 喷嘴结构
       喷嘴结构主要由喷头和玻璃微针两部分组成,如图1中所示,喷嘴中间留有直径约为1mm 的小孔,将自制玻璃微针装入喷头中,用热熔胶或 AB胶粘合固定,将喷嘴安装在下阀体底部,喷嘴与下 阀体之间垫有橡胶垫圈,以防液滴渗漏。
       玻璃微针选用外径为1mm、内径为0.6mm的玻璃细管进行加工,主要有两种加工方法:一种是拉针熔煅法,另一种是直接热熔法,二者的制针效果如图2所示。喷嘴口径由喷射液体的特性确定,玻璃微针和喷嘴可随时根据情况进行更换。

       拉针熔煅法:使用激光微电极控制仪 (拉针仪)进行拉针,得到两个有锥形针尖的微针,将微针用陶瓷片切割后,夹持在显微镜下,通过显微镜进行观察,用加热丝对针口进行加热熔煅,从而形成一个整齐的断面。直接热熔法:直接对玻璃细管管口进行高温加热,当加热至一定程度后细管的内壁会不断收缩,之后将加热后的玻璃细管夹持在显微镜下观察加热后其内径大小。
       两种方式各有优缺点,第一种拉针熔煅法操作简单,制造成功率高,内径大小形状容易控制,但制出的玻璃微针针头过细,容易碎坏,且容易伤人,不能用于接触式喷射。第二种直接热熔法相对于第一种方法在保证针头内径不变的情况下外径较大,且在喷头处有较厚的外壁,针头不易损坏,可以用于接触式喷射,但在制造过程中成功率不高,内径大小形状不易控制。
2 液滴喷射实验分析
2.1 溶液粘度对液滴喷射的影响
       实验采用甘油水溶液作为喷射介质,在实验中发现溶液在撞针的撞击下喷出喷嘴,但溶液挂在喷嘴处无法掉落形成液滴,经分析是溶液粘度太大,不易从玻璃喷嘴处掉落,为解决这一问题需对喷嘴进行疏水处理。经过多次实验, NC305和 NC312两种试剂的疏水效果较好[10],其中对于较高粘度甘油溶液,NC312的疏 水效果更佳。
       为测试该喷射装置可喷射液体的最大粘度,实验采用了体积分数100%的纯甘油、体积分数95%的甘油水溶液以及体积分数90%的甘油水溶液进行测试,在常温 (20 ℃)条件下,该三种溶液的粘度分别为1410、523和220mpas[11]。实验过程中,驱动电压为15V,电磁铁行程采用最大行程(20mm),脉 冲 信 号 频 率 为 1 Hz, 喷 嘴 均 采 用NC312疏水试剂进行疏水处理,在喷嘴下方放置载玻 片。观 察 在 不 同 直 径 (d)下 溶 液 的 喷 射 效果,实验结果如表1所示。

       为进一步测试出该装置以水为介质可喷射的最小喷嘴 直 径,在 原 有 实 验 基 础 上,增 加 40、50、60以及80μm 喷嘴直径的实验,通过实验观察当喷嘴直径为40和50μm 时,水无法成功喷射出,当直径为60和80μm 时水可以喷出。实验结果表明:溶液喷射效果与喷嘴直径和溶液粘度相关,该装置在喷嘴直径为250μm 以上可以顺利喷射出粘度为1410mpas的溶液。同时发现,当其他条件一致时,溶液粘度越低,能够实现液滴喷射所需的喷嘴直径越小,反之,高粘度溶液喷射所需的喷嘴直径较大。当粘度过小时,大直径的喷嘴会出现渗液或者散喷现象,无法成功实现喷射。经过实验测量,在该条 件 下,装 置 在 以 水 (粘 度 为 1 mpas)为喷射介质时,可实现喷射的最小直径为60μm,当喷嘴直径达到200μm 以上时开始出现渗液或者散喷现象,不能实现液滴的稳定喷射。
       为进一步分析溶液粘度对液滴喷射的影响,对相同喷嘴直径喷射出的不同粘度的液滴在显微镜下进行观察测量。实验采用直径300μm 的喷嘴,分别采取体积分数60%~100%的甘油水溶液作为实验的喷射介质,将液滴喷射到距离喷嘴2mm 的载玻片上,为方便观察,载玻片事先用 NC312疏水试剂进行处理。体积分数70%~100%的甘油水溶液作为实验的喷射介质得到的喷射效果如图3所示。实验过程中,电磁铁驱动电压为15V,电磁铁行程为20mm,脉冲信号频率为1Hz。从样品中选取20颗左右的液滴,利用电子显微镜测量液滴的尺寸并统计,如图4所示 (图中 DC表示测量序号,R 为液滴半径,G 为液滴周长, A 为液滴面 积),统计结果如表2所示。

       之后,用同等实验方式向载玻片上分别喷射50颗、70颗、100颗液滴,分别在电子天平上测量出质量 (提前测量出无液滴载玻片的质量),分别计算出液滴的平均质量并取平均值定为该直径下生成液滴的平均质量,实验测量结果如表2所示,表中极差与标准差为统计液滴半径数值的极差和标准差。
       通过实验发现,300μm 直径下,喷射溶液粘度低于60mpas时液滴开始出现卫星液滴 (图5),且粘度越低,出现卫星液滴的次数越多,当溶液粘度低于20mpas时,在喷射过程中开始出现散喷的现象。由于不同粘度甘油水溶液的密度不同,直接对液滴的平均质量进行分析误差会很大,因此通过计算将液滴的平均质量换算为该情况下液滴的平均体积并绘图,如图6所示。
       通过对直径为300μm 喷嘴喷射出的不同粘度液滴体积的分析发现,当喷嘴直径一致时,溶液粘度越高,喷射液滴的体积越小;当溶液粘度较低(200mpas左右)时,溶液粘度的变化对液滴体积的影 响 不 大;当 溶 液 粘 度 处 于 中 间 阶 段 (200~500mpas)时,随 着 溶 液 粘 度 的 增 加,液 滴 体 积 会有较大程度的减少;当溶液粘度大于500mpas时,液滴体积的变化又会随着溶液粘度的增加而变得平缓。由于液滴平均半径不仅与液滴的体积有关,同时也与液滴与载玻片的接触角有关,而 液滴体积越大时,其接触角就越小。在相同的实验条件下,相同粘度溶液生成液滴的体积相近,其与载玻片的接触角可近似于相等,此时通过测量各个液滴的半径可以分析该粘度下生成液滴的分布情况。
       为研究溶液粘度对液滴喷射稳定性的影响,对样本测量的半径数值进行统计分析,将样品液滴半径统计归类,且按照中间值将分布情况绘图,如图7所示。同时,计算出各粘度下液滴半径的极差与标准差,溶液粘度与液滴半径的极差和标准差的关系如图8所示。

       通过表3的测量数据,可得喷液直径和液滴平均半径及平均质量的关系,如图9所示。
       通过图表分析发现,当溶液粘度越小时,喷射出液滴的半径分布越散。喷射液滴平均半径的极差与标准差随着溶液粘度的增加呈现非线性递减的关系,当溶液粘度较低时,递减越明显,反之溶液粘度较高时则相对平缓。因此,可得出结论,液滴喷射的稳定性随着溶液粘度的增加而增强,当粘度较低时,稳定性增强的效果最为明显,反之在高粘度条件下则相对平稳。
2.2 喷嘴直径对液滴喷射的影响
       为进一步分析该喷射装置喷嘴直径对液滴成形的影响,对不同直径喷嘴喷射出的液滴在显微镜下进行观察测量。为确保小直径喷嘴的喷射,实验中采用常温条件下粘度为60mpas的体积分数80%甘油水溶液[12-13],将液滴喷射到距离喷嘴 2 mm的载玻片上,为方便观察,载玻片事先用 NC312疏水试剂进行处理。实验过程中,电磁铁行程为20mm,脉冲信号频率为1Hz。从样品中选取20颗左右的液滴,利用电子显微镜测量液滴的尺寸并统计,测量出液滴的平均质量,统计结果如表3所示。
       实验数据分析表明:该实验条件下,喷射生成的液滴直径与喷嘴直径之比为4~4.5,随着喷嘴直径逐渐增加,液滴平均质量与平均直径逐渐增大,与喷嘴直径近似呈线性增长的关系。
3 结 论
       设计的微滴喷射装置采用电磁铁驱动的撞针式结构,易于加工,装置各项参数可随时调整,经过实验验证,可以顺利实现粘度为1410mpas溶液的喷射,装置喷射效果稳定,液滴成形效果良好,丰富了微滴喷射装置的结构设计。
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