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基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置及方法?；陉嚵袊婎^電紡直寫精度可變磁柵尺是通過陣列噴頭電紡直寫技術(shù)先直寫規(guī)則排列的不導(dǎo)磁聚合物纖維，形成一層不導(dǎo)磁的薄膜作為基板，然后直寫規(guī)則排列的混有硬磁物質(zhì)顆粒的聚合物纖維，形成結(jié)構(gòu)規(guī)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制磁波，從而制成磁柵尺?？筛鶕?jù)被測精度的要求在安裝測量磁柵尺時改變磁柵尺精度。又由于聚合物電紡薄膜具有很強(qiáng)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(huán)境的改變有很強(qiáng)的適應(yīng)性。陣列噴頭電紡直寫技術(shù)可高精度直寫多根電紡沉積，在保證生產(chǎn)精度的前提下生產(chǎn)效率高。
【專利說明】基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置及制造方法，屬于微納級位移傳感監(jiān)測工具加工制造領(lǐng)域，特別是屬于微納三維快速成型領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓靜電紡絲技術(shù)，是國內(nèi)外最近十幾年發(fā)展起來的用于制備超細(xì)纖維的重要方法。電紡絲技術(shù)最早由Formhzls在1934年提出，隨后Taylor等人于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(jì)90年代人們開始廣泛關(guān)注電紡絲技術(shù)。孫道恒等人于2006年提出了近場電紡直寫技術(shù)，近場電紡直寫技術(shù)具有可靠的沉積精度，且參數(shù)可控，為電紡納米纖維產(chǎn)業(yè)開拓了 一種新的方法。
[0003]在20世紀(jì)80年代中期，SLS被在美國德州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，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(yè)化。1995年，麻省理工的E Sachs, M Cima和J Cornie創(chuàng)造了“三維打印”一詞。隨著三維打印精度的提高，三維打印可以最大限度地發(fā)揮材料的特性，只把材料放在有用的地方，減少材料的浪費。隨著三維打印速率的提高，可以加快生產(chǎn)，讓三維打印技術(shù)可以投入在工業(yè)生產(chǎn)中。近年來，三維打印技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，很多設(shè)備都付諸了工業(yè)應(yīng)用，開創(chuàng)了直接數(shù)字制造的時代。隨著三維打印精度與打印速度的進(jìn)一步提高，未來三維打印將得到進(jìn)一步的普及運用。
[0004]磁柵尺是磁柵數(shù)顯系統(tǒng)的基準(zhǔn)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(yīng)的若干磁柵波長之和來表不。磁柵尺是在非導(dǎo)磁材料商涂一層10-20um的硬磁物質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺。本發(fā)明有很高的吸附性能，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(huán)境影響小。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造裝置。本發(fā)明所述基于電感效應(yīng)的微納級電磁柵尺的制造裝置，是陣列式近場電紡直寫設(shè)備，具有良好的自動控制性能，可以用作三維快速成型。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作簡單的基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺，包括不導(dǎo)磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導(dǎo)磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
[0009]本發(fā)明基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺的制造裝置，包括有XY平面運動平臺、Z軸運動導(dǎo)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平面運動平臺用于提供電紡平臺，并提供XY平面方向的相對運動；z軸運動導(dǎo)軌用于提供Z方向的距離控制；用于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，注射泵控制器用于控制注射泵的工作狀態(tài)；高壓電源用于為陣列噴頭提供電壓，且高壓電源與高壓電源控制器連接，高壓電源控制器用于控制高壓電源的工作狀態(tài)；用于控制Z軸導(dǎo)軌的運動狀態(tài)的Z軸運動控制器與Z軸導(dǎo)軌的驅(qū)動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺的工作狀態(tài)的XY平臺運動控制器與XY平面運動平臺的驅(qū)動裝置連接；用于檢測電紡電流參數(shù)的微電流檢測器裝設(shè)在平面運動平臺的旁側(cè)，微電流檢測器將檢測的電紡電流參數(shù)反饋給用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)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，電紡控制器用于在生產(chǎn)制造中協(xié)調(diào)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(tài)。
[0010]本發(fā)明基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造方法，包括以下步驟:
12)制作不導(dǎo)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(dǎo)磁聚合物形成的不導(dǎo)磁薄膜；
13)覆蓋磁性薄膜:將聚合物中混雜高導(dǎo)磁性材料顆粒，通過陣列噴頭近場電紡直寫的方法在不導(dǎo)磁薄膜上覆蓋一層磁性薄膜；
14)錄磁:去除首尾兩端，并完成錄磁過程，最終形成的磁柵尺。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
1)本發(fā)明所述基于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；
2)本發(fā)明所述基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，材料分布均勻且其結(jié)構(gòu)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；
3)本發(fā)明所述基于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(huán)境影響??；
4)本發(fā)明所述基于電感效應(yīng)的微納級電磁柵尺的制造裝置，是陣列式近場電紡直寫設(shè)備，具有良好的自動控制性能，可以用作三維快速成型。
[0012]5)本發(fā)明所述基于電感效應(yīng)的微納級電磁柵尺制造方法，基于陣列噴頭近場電紡直寫技術(shù)，加工精度高，加工效率也高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為陣列噴頭近場電紡直寫裝置示意圖。
[0014]圖2為陣列噴頭噴孔分布示意圖。
[0015]圖3為精度可變磁柵尺制造方法流程圖。
[0016]圖4為噴頭路線示意圖。
[0017]圖5為一層納米纖維薄膜示意圖。
[0018]圖6為精度可變磁柵尺示意圖。
[0019]圖7為拉伸后的精度可變磁柵尺示意圖。
【具體實施方式】[0020] 實施例:
本發(fā)明基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，包括不導(dǎo)磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導(dǎo)磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
[0021 ] 上述精度可變磁柵尺具有均勻的彈性結(jié)構(gòu)。
[0022]上述不導(dǎo)磁薄膜基板和磁性薄膜沉積材料相同，沉積結(jié)構(gòu)相同，且沉積分布均勻。
[0023]上述不導(dǎo)磁薄膜基板是通過多噴頭電紡有序沉積不導(dǎo)磁聚合物形成的不導(dǎo)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后通過陣列噴頭近場電紡直寫形成。
[0024]本發(fā)明基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造裝置，包括有XY平面運動平臺l、z軸運動導(dǎo)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I用于提供電紡平臺，并提供XY平面方向的相對運動；Ζ軸運動導(dǎo)軌2用于提供Z方向的距離控制；用于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用于控制注射泵4的工作狀態(tài)；高壓電源5用于為陣列噴頭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用于控制高壓電源5的工作狀態(tài)；用于控制Z軸導(dǎo)軌2的運動狀態(tài)的Z軸運動控制器8與Z軸導(dǎo)軌2的驅(qū)動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺I的工作狀態(tài)的XY平臺運動控制器9與XY平面運動平臺I的驅(qū)動裝置連接；用于檢測電紡電流參數(shù)的微電流檢測器11裝設(shè)在平面運動平臺I的旁側(cè)，微電流檢測器11將檢測的電紡電流參數(shù)反饋給用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)的電紡控制器10，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與電紡控制器10連接，電紡控制器10用于在生產(chǎn)制造中協(xié)調(diào)控制高壓電源控制器6、注射泵控制器6、Z軸運動控制器8、XY運動平臺控制器9的控制狀態(tài)。
[0025]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,故最后沉積納米纖維在X方向上中心線距也為0.0075mm。每列之間錯位0.003mm,故最后沉積納米纖維在Y方向上中心線距也為0.003mm。
[0026]本發(fā)明所述精度可變磁柵尺的制造方法流程圖如圖3所示，該制造方法包括以下步驟:
12)制作不導(dǎo)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(dǎo)磁聚合物形成的不導(dǎo)磁薄膜；
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(dǎo)磁薄膜；
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。
[0027]上述步驟12)在進(jìn)行不導(dǎo)磁薄膜制造時，陣列噴頭3按照正S型進(jìn)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，重復(fù)多次直到薄膜厚度達(dá)到指定厚度時停止，完成不導(dǎo)磁薄膜制造。本實施例中，陣列噴頭3每次X方向上行進(jìn)7.5mm, Y方向上行進(jìn)15mm，執(zhí)行η次，其沉積一層納米纖維薄膜示意圖如圖5所示。重復(fù)多次直到薄膜厚度達(dá)到0.5-1_時停止，完成不導(dǎo)磁薄膜制造。然后，將聚合物中混雜鎳-鈷合金高導(dǎo)磁性材料顆粒，上述步驟13)用同樣的工藝，在不導(dǎo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)與二維彈簧類似，且分布均勻，因此其彈性是線性，因此將其拉長之后，其柵距變化是均勻的，且變化與拉長量呈線性關(guān)系，拉長后磁柵尺示意圖如圖7所示。
[0028]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(jìn)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，采用陣列噴頭進(jìn)行近場電紡直寫加工，不僅生產(chǎn)精度高而且生產(chǎn)效率好。
[0029]本發(fā)明精度可變磁柵尺由于采用通過陣列式噴頭的近場電紡直寫技術(shù)直寫不導(dǎo)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(zhì)顆粒通過陣列式噴頭的近場電紡技術(shù)直寫磁性薄膜；并在磁性薄膜上用錄磁磁頭記錄磁極的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(huán)境影響小。本發(fā)明變磁柵尺制造裝置，采用陣列噴頭進(jìn)行直寫，加工效率高，能夠較好的實現(xiàn)自動化控制，可用于基于陣列噴頭的三維快速成型。
[0030]本發(fā)明精度可變磁柵尺制造方法，采用陣列噴頭近場電紡直寫不導(dǎo)磁高分子聚合物薄膜作為基底，在不導(dǎo)磁薄膜基底上采用陣列噴頭近場電紡直寫混有導(dǎo)磁材料顆粒的高分子聚合物薄膜，本發(fā)明方法制作的精度可變磁柵尺，全部由高分子聚合物電紡制成，具有良好的吸附性能，其組成結(jié)構(gòu)分布均勻，且類似于二維彈簧，具有良好的線性彈性，精度可變。
[0031]本發(fā)明的工作原理如下:
本發(fā)明近場電紡可以實現(xiàn)直徑由納米級到微米級范圍內(nèi)近百種不同聚合物納米纖維、各種類型聚合物、無機(jī)物復(fù)合納米纖維及無機(jī)納米纖維的制備。
[0032]本發(fā)明陣列式噴頭采用近場電紡直寫技術(shù)進(jìn)行快速成型。將噴頭噴針接高壓正極，平臺作為接收板接負(fù)極。在沒加電壓時，噴嘴處聚合物溶液在針頭由于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(wěn)定落下5mm之后產(chǎn)生一個震蕩、不穩(wěn)定的噴射流階段，因此保持噴頭與加工面的距離在5mm之內(nèi)的位置，在液滴滴落過程中溶劑會迅速揮發(fā)，在指定位置最終得到成形的纖維成型。
[0033]本發(fā)明近場電紡直寫技術(shù)成膜分布均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(huán)的正S型，其電紡納米纖維線排布與二維彈簧相似。
[0034]本發(fā)明陣列噴頭的噴嘴呈斜線交錯分布，因此進(jìn)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?fù)暌粚幽ぶ?，下一次膜位置?yīng)與第一次交錯分布，這樣可以保證最終成膜的均勻性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，其特征在于包括不導(dǎo)磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆蓋在不導(dǎo)磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺，其特征在于上述精度可變磁柵尺具有均勻的彈性結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述不導(dǎo)磁薄膜基板和磁性薄膜沉積材料相同，沉積結(jié)構(gòu)相同，且沉積分布均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述不導(dǎo)磁薄膜基板是通過多噴頭電紡有序沉積不導(dǎo)磁聚合物形成的不導(dǎo)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后通過陣列噴頭近場電紡直寫形成。
5.一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造裝置，其特征在于包括有XY平面運動平臺(I)、Z軸運動導(dǎo)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(I)用于提供電紡平臺，并提供XY平面方向的相對運動；Z軸運動導(dǎo)軌(2)用于提供Z方向的距離控制；用于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)用于控制注射泵(4)的工作狀態(tài)；高壓電源(5)用于為陣列噴頭(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)用于控制高壓電源(5)的工作狀態(tài)；用于控制Z軸導(dǎo)軌(2)的運動狀態(tài)的Z軸運動控制器(8)與Z軸導(dǎo)軌(2)的驅(qū)動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺(I)的工作狀態(tài)的XY平臺運動控制器(9)與XY平面運動平臺(I)的驅(qū)動裝置連接；用于檢測電紡電 流參數(shù)的微電流檢測器(11)裝設(shè)在平面運動平臺(I)的旁側(cè)，微電流檢測器(11)將檢測的電紡電流參數(shù)反饋給用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)的電紡控制器(10)，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)與電紡控制器(10)連接，電紡控制器(10)用于在生產(chǎn)制造中協(xié)調(diào)控制高壓電源控制器(6)、注射泵控制器(6)、Z軸運動控制器(8)、XY運動平臺控制器(9)的控制狀態(tài)。
6.一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造方法，其特征在于包括以下步驟: 12)制作不導(dǎo)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(dǎo)磁聚合物形成的不導(dǎo)磁薄膜； 13)覆蓋磁性薄膜:將聚合物中混雜高導(dǎo)磁性材料顆粒，通過陣列噴頭近場電紡直寫的方法在不導(dǎo)磁薄膜上覆蓋一層磁性薄膜； 14)錄磁:去除首尾兩端，并完成錄磁過程，最終形成的磁柵尺。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述步驟12)在進(jìn)行不導(dǎo)磁薄膜制造時，陣列噴頭按照正S型進(jìn)行近場直寫電紡，其沉積一層納米纖維薄膜，重復(fù)多次直到薄膜厚度達(dá)到指定厚度時停止，完成不導(dǎo)磁薄膜制造。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述步驟13)在不導(dǎo)磁薄膜上覆蓋一層10-20um厚的磁性薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述步驟14)用錄磁磁頭在磁性薄膜上記錄磁極，N極和S極相間變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于陣列噴頭電紡直寫的精度可變磁柵尺制造方法，其特征在于上述陣列噴頭 每行每列都有錯位。
【文檔編號】G01B7/02GK103900456SQ201410099644
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】王晗, 李敏浩, 陳新, 陳新度, 朱自明, 唐立虎, 李炯杰, 巫孟良 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)