基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型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?；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(cè)精度的要求在安裝測(cè)量磁柵尺時(shí)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(cè)工件上，隨被測(cè)工件同步膨脹或收縮，對(duì)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】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型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，屬于微 納級(jí)位移傳感監(jiān)測(cè)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。 基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺及制造裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 高壓靜電紡絲技術(shù)，是國(guó)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(duì)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(gè)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(chǎng)電紡直寫技術(shù)，近場(chǎng)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(guó)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(xiàng)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(fèi)。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(shí)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(yùn)用。
[0004] 磁柵尺是磁柵數(shù)顯系統(tǒng)的基準(zhǔn)元件，波長(zhǎng)是磁柵尺的長(zhǎng)度計(jì)量單位，任一被測(cè)長(zhǎng) 度都可用其對(duì)應(yīng)的若干磁柵波長(zhǎng)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] 本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型有很高的吸附性能，可以吸附在測(cè)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] 本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型所述基于電感效應(yīng)的微納級(jí)電磁柵尺的制造裝置，是陣列式近場(chǎng)電 紡直寫設(shè)備，具有良好的自動(dòng)控制性能，可以用作三維快速成型。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：本實(shí)用新型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。
[0008] 本實(shí)用新型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(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器、XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器、電紡控制器、微電流檢測(cè)器，其中XY平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用 于提供電紡平臺(tái)，并提供XY平面方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌用于提供Z方向的距離控 制；用于實(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài) 的Z軸運(yùn)動(dòng)控制器與Z軸導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)裝置連接；用于控制XY平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作狀態(tài)的 XY平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器與XY平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置連接；用于檢測(cè)電紡電流參數(shù)的微電流 檢測(cè)器裝設(shè)在平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的旁側(cè)，微電流檢測(cè)器將檢測(cè)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(yùn)動(dòng)控制器、 XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)控制器、XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器的控制狀態(tài)。
[0009] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 1)本實(shí)用新型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；
[0011] 2)本實(shí)用新型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(zhǎng)度，從而改變其柵線精度；
[0012] 3)本實(shí)用新型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(cè)量器件 上，隨器件的熱脹冷縮而變化，其精度受環(huán)境影響??；
[0013] 4)本實(shí)用新型所述基于電感效應(yīng)的微納級(jí)電磁柵尺的制造裝置，是陣列式近場(chǎng)電 紡直寫設(shè)備，具有良好的自動(dòng)控制性能，可以用作三維快速成型。
[0014] 5)本實(shí)用新型所述基于電感效應(yīng)的微納級(jí)電磁柵尺制造方法，基于陣列噴頭近場(chǎng) 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】
[0015] 圖1為陣列噴頭近場(chǎng)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為精度可變磁柵尺制造方法流程圖。
[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為拉伸后的精度可變磁柵尺示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 實(shí)施例：
[0023] 本實(shí)用新型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。
[0024] 上述精度可變磁柵尺具有均勻的彈性結(jié)構(gòu)。
[0025] 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。
[0026] 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(chǎng)電紡直寫形 成。
[0027] 本實(shí)用新型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(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、Ζ軸運(yùn)動(dòng)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、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制器8、ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器9、電紡控制器10、微電流檢測(cè)器11，其中 ΧΥ平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1用于提供電紡平臺(tái)，并提供ΧΥ平面方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；Ζ軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2用 于提供Ζ方向的距離控制；用于實(shí)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Ζ軸導(dǎo)軌2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制器8與Ζ軸導(dǎo)軌2的驅(qū) 動(dòng)裝置連接；用于控制ΧΥ平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的工作狀態(tài)的ΧΥ平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器9與ΧΥ平面運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)1的驅(qū)動(dòng)裝置連接；用于檢測(cè)電紡電流參數(shù)的微電流檢測(cè)器11裝設(shè)在平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 1的旁側(cè)，微電流檢測(cè)器11將檢測(cè)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、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制器8、ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制器8、ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器9的控制狀態(tài)。
[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(gè)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(cuò)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(cuò)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。
[0029] 本實(shí)用新型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：
[0030] 12)制作不導(dǎo)磁基板：即在陣列噴頭近場(chǎng)電紡直寫平臺(tái)上通過陣列噴頭近場(chǎng)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；
[0031] 13)覆蓋磁性薄膜：即在通過陣列噴頭近場(chǎng)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；
[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(jìn)行不導(dǎo)磁薄膜制造時(shí)，陣列噴頭3按照正S型進(jìn)行近場(chǎng)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(shí)停止，完成不導(dǎo)磁薄膜制造。本實(shí)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(shí)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?yàn)樾纬傻谋∧?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(zhǎng)之后，其柵距變化是均勻的， 且變化與拉長(zhǎng)量呈線性關(guān)系，拉長(zhǎng)后磁柵尺示意圖如圖7所示。
[0034] 本實(shí)施例中，上述陣列噴頭每行每列都有一定量的錯(cuò)位，因此在進(jìn)行X方向或Y方 向的電紡直寫時(shí)，避免了電紡絲線的重疊沉積，采用陣列噴頭進(jìn)行近場(chǎng)電紡直寫加工，不僅 生產(chǎn)精度高而且生產(chǎn)效率好。
[0035] 本實(shí)用新型精度可變磁柵尺由于采用通過陣列式噴頭的近場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度，從而改變其柵線精度，且可以吸附在測(cè)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。本實(shí)用新型變磁柵尺制造裝置，采 用陣列噴頭進(jìn)行直寫，加工效率高，能夠較好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可用于基于陣列噴頭的三 維快速成型。
[0036] 本實(shí)用新型精度可變磁柵尺制造方法，采用陣列噴頭近場(chǎng)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(chǎng)電紡直寫混有導(dǎo)磁材料顆粒 的高分子聚合物薄膜，本實(shí)用新型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。
[0037] 本實(shí)用新型的工作原理如下：
[0038] 本實(shí)用新型近場(chǎng)電紡可以實(shí)現(xiàn)直徑由納米級(jí)到微米級(jí)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。
[0039] 本實(shí)用新型陣列式噴頭采用近場(chǎng)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(tái)作為接收板接負(fù)極。在沒加電壓時(shí)，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(chǎng)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(huì)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(huì)從球狀液滴被拉長(zhǎng)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(gè)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5_之內(nèi)的位置，在液滴滴落過程中溶劑會(huì)迅速揮發(fā)，在指定位置最終得到成形的纖 維成型。
[0040] 本實(shí)用新型近場(chǎng)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(shí)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。
[0041] 本實(shí)用新型陣列噴頭的噴嘴呈斜線交錯(cuò)分布，因此進(jìn)行X軸或Y軸方向的直寫走 位時(shí)，沉積聚合物不會(huì)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(cuò)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精度可變磁柵尺，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. 一種基于陣列噴頭電紡直寫精度可變磁柵尺的制造裝置，所述基于陣列噴頭電紡直 寫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，其特征在于包括有XY平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（1 )、Z軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器（8)、XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器（9)、電紡控制器（10)、微電流檢測(cè)器（11)，其中XY平 面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（1)用于提供電紡平臺(tái)，并提供ΧΥ平面方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；Ζ軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌（2)用于 提供Ζ方向的距離控制；用于實(shí)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Ζ軸導(dǎo)軌（2)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制 器（8)與Ζ軸導(dǎo)軌（2)的驅(qū)動(dòng)裝置連接；用于控制ΧΥ平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（1)的工作狀態(tài)的ΧΥ平 臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器（9)與ΧΥ平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（1)的驅(qū)動(dòng)裝置連接；用于檢測(cè)電紡電流參數(shù)的微電 流檢測(cè)器（11)裝設(shè)在平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（1)的旁側(cè)，微電流檢測(cè)器（11)將檢測(cè)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)、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制器（8)、ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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)、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控 制器（8)、ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器（9)的控制狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G01B7/02GK203893808SQ201420121597
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)