3d打印气动喷雾器，可监测液滴喷射

在本研究中，利用sla型3D打印机，制作了一种柔性膜驱动的带有电容式传感器的气动点胶机。实验结果表明，在直径200 μm的喷嘴中，可以喷射出约400-450 nL的液滴。变形随施加在膜传感器上的正压力的大小和时间的不同而变化。此外，还对正常点胶和去除进口压力后溶液不喷射的异常状态的信号进行了测量和比较。去除进口压力后，基础电容-数字转换器(CDC)值降低。由此，可以确认对气动点胶机正常和异常弹射状态进行监测的可行性。

喷墨打印，基于按滴打印，是一种非接触式打印技术，可以将液体材料以微滴的形式精确地输送到所需的位置[188beat365 ］．因此，减少了材料的消耗，各种类型的基材都可以被制模。因此，该技术被应用于各个工业领域[188beat365 ，188beat365 ］．

在印刷电子领域，各种功能材料，例如电子器件，包括滤色器和显示器的晶体管，与电极印刷结合使用，以喷墨技术制造[188beat365 ］．在组织工程中，生物墨水被广泛应用于人工组织或器官的生物打印系统[188beat365 ］．

目前，用于包装制造业中的各种电子产品，喷射阀式印刷系统用于将高粘度的材料，如环氧成型化合物(EMC)或粘合剂，应用到精确的位置。采用射流阀法，输送高压力的高粘度溶液，随着喷嘴内的高速阀的开启和关闭，溶液被分配。包装中使用的材料主要含有聚合物颗粒，因此容易发生喷嘴堵塞问题，需要相当大的维护成本和精力，如定期清洗[188beat365 ］．

为了防止喷管故障和有效的维护周期确认，开发了各种对点胶状态的监测方法。例如，一种利用高速相机通过周期性图像分析来监测弹射过程的方法[188beat365 ]或使用毫米波实时监测喷射液滴的运动已得到研究[188beat365 ］．另外，研究了一种通过将自感知方法应用于压电式喷墨打印机来监测多喷嘴打印机故障的方法[188beat365 ］．

在本研究中，我们引入了一种气动分配器[10，11，188beat365 ]可以实时监测液滴喷射状态，利用气动压力变形，利用嵌入在柔性膜上的电容型传感器。利用嵌入式传感器的传感信号分析正常和异常工况下膜变形的差异，实时监测液滴喷射状态。此外，点胶机的所有部件都设计和制作成适合使用立体平版(SLA)型3D打印机打印的尺寸。对制备的点胶器的点胶和传感性能进行了验证。分析了点胶状态监测中正常和异常传感信号的差异。

气动点胶机的设计与制造

能够监测液滴喷射的气动点胶机的结构如图所示。188beat365 ．该分配器包括使用电磁阀控制气动压力的驱动部分，包括因气动压力而变形以喷射液体溶液的膜传感器部分，用于测量变形的电容式传感器，以及由微通道组成的溶液进、出口喷嘴。驱动和微通道部件使用sla型3D打印机(From2, FormLab)制造。刚性树脂(刚性10 K树脂V1)用于微通道，透明树脂(标准透明树脂V4)用于驱动部分。该膜式传感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，由膜和支撑块组成。利用气动压力对膜进行变形，喷射液滴，并在膜表面刻印银纳米线(AgNW)电极测量变形。

气动点胶机的制造过程如图所示。188beat365 ．首先，利用3D打印机对设计的a-1微通道进行打印后，通过钻孔制作直径为200 μ m的出口喷嘴;随后，用砂纸打磨喷嘴周围的表面。接下来，特氟龙(AF-1600, 0.05%)浸涂在喷嘴周围的疏水涂层上。

为了用AgNW电极制作薄膜，制备了一种用聚四氟乙烯(PTFE)胶带附着在玻璃载玻片上的衬底。AgNW解决方案(Flexiowire 2020, Flexio Co.， Ltd)使用喷枪(b-1)进行模式化设计。将固化剂以重量比为10:1的比例在图电极上混合后，倒入PDMS溶液(Sylgard 184有机硅弹性体，道康宁)膜，并以500转/分钟旋转涂覆30秒(b-2)。将固化的PDMS膜在70°C的烤箱中缓慢剥去4小时，通过冲孔形成液孔(b-3)。膜厚度为297±3.77 μ m。

该分配器被设计成在PDMS膜、微通道和驱动器之间没有粘结。设计了一个支撑块，以防止施加在膜上的气动压力和喷射溶液的泄漏。用与膜相同的材料制成3mm厚的PDMS块，并钻压力和液体孔，用于气动压力和溶液的进出。随后，空气等离子体处理(45 W, 30 s) (b-4)后，将两表面粘接完成PDMS膜和支撑块。通过使用螺栓紧固/组装制造的部件来完成分配器(图。188beat365 c)。

操作和感知液滴喷射

点胶机工作原理示意图如图所示。188beat365 a, b.正常情况下，通过电磁阀对膜施加负压，使膜向喷嘴反方向变形。在恒定的入口压力下输送的液体溶液充满分配器内部的液体室。当电磁阀通过应用程序时间的电信号打开时，一个正压力被施加到膜上。正压力使膜在喷嘴方向上变形并推动液体溶液。然而，一定数量的液体溶液被分配出喷嘴。电磁阀精确控制的信号如图所示。188beat365 c。

驱动分配器时，通过实时测量膜表面图案的AgNW电极与压力孔内由铜带制成的接地电极之间的电容变化来感知膜的变形。如果膜向负压喷嘴的相反方向变形，它会更靠近接地电极，电容增大。相反，如果在正压喷嘴方向上变形，则电容减小。使用AD7147可编程电容到数字转换器(CDC)测量电容的变化，并收集为CDC计数器(CDC输出)[188beat365 ］．采集到的CDC计数器通过I传输到MCU (Coretex-M3, ARM)₂C(内部集成电路)通信。数据通过串行通信传输到PC机，并以大约1khz的采样率记录。LabView™软件(国家仪器公司^®)和数字输入输出(DIO)板用于电磁阀信号控制和数据采集。

用去离子水作为实验溶液。使用高速相机(FASTCAM MiniAX、Photron)在20,000 fps(帧/秒)的速度下记录喷射过程和喷射液滴的体积和速度，并在MATLAB中使用数字图像处理方法记录图像^®．定量测量了液滴的体积和速度。

传感膜偏转

为了评价膜传感器的性能，在无液体溶液的常压下测量了膜传感器的电容变化。首先，将电磁阀开启时间(推时间)从8增加到200 ms，同时测量传感器信号，并将施加在膜上的压力(正压和负压)分别固定在5和-3 kPa(图1)。188beat365 ）.

当在推动时间内施加正压力时，随着膜远离地电极，CDC值降低。当在拉膜过程中再次施加负压时，随着膜接近接地电极，CDC值增加。以膜施加负压状态下的CDC值为基础，正压变形减少的CDC值约为244±78次，在推压时间控制范围内作为相似值测量。

此外，随着程序中输入的推送时间的增加，CDC值降低，维护时间增加。但是对于电磁阀的延时时间，由于膜的实际变形，在编程的推送时间和传感器信号的实际推送时间之间存在时间误差。在整个推送时间范围内，时间误差的计算范围为0.022到30 ms，变异系数(CV)的范围为3-21%。

由于膜的变形，正压增加，信号测量结果如图所示。188beat365 ．负压和推压时间分别固定在-3 kPa和20 ms，当正压从2增加到20 kPa时，重复测量10次以上。随着正压的大小增大，信号的大小也随之增大。在10kpa以上，信号幅度趋于饱和。在空气中，液室的大小限制了膜的变形，不再发生进一步的变形。

分配液滴

在恒定压力(4.8 kPa)下通过进口孔提供液体溶液时，对膜进行变形，确定了恒定体积的单液滴稳定喷射的条件。数字188beat365 显示了一个大约200 μm直径的喷嘴喷射过程的顺序图像。膜的正负压分别为5 kPa和3 kPa，推膜时间为8 ms。经证实，一个液滴通过喷嘴稳定地喷射出来。在通过喷嘴喷出的初始液体射流中，尾部的液体没有与主液滴融合，而是留下来形成小液滴，称为卫星液滴。此外，随着液体表面张力的增加，卫星液滴现象更加明显[188beat365 ］．在飞沫下落过程中，产生的卫星飞沫大部分与主飞沫合并。然而，当卫星液滴不规则形成或不与主液滴合并时，打印分辨率降低。卫星液滴如图所示。188beat365 下落后合并，在固体基底上碰撞之前观察到的液滴被确定为单个液滴。

数字188beat365 在单个液滴稳定喷射的情况下，随着正压的变化，喷射液滴的体积和速度发生变化。正压从2 kPa增加到5 kPa，而其他条件保持不变。弹射量增加到395 ~ 445 nL，测量速度为11 ~ 15 m/s。

监测液滴喷射

利用膜传感器对液滴喷射进行监测，比较了液滴喷射异常和正常状态下的传感器信号。数字188beat365 a为正压5 kPa、负压-3 kPa、推时间8 ms、拉时间500 ms、入口压力4.8 kPa供液条件下正常弹射条件下的CDC测量值。当施加正压力时，膜向喷嘴方向变形，并将液体溶液推出喷嘴。同时，膜远离接地电极，CDC值下降288±19次。当施加负压时，膜向远离喷嘴的相反方向变形。当接近接地电极时，CDC值增加到先前的水平。

在正常的喷射过程中，当去除供液入口压力时，无论正负压是否使膜变形，溶液都无法供给到溶液腔中，液滴无法再喷射。去除进口压力后传感器测量的CDC值如图所示。188beat365 b.相反，与正常状态相比，拉动时间的基本CDC值减少了约300次。CDC值的减小表明膜与接地电极之间的距离增加。在正常弹射状态下，膜受进口压力的作用向地极变形，当进口压力消除时，与地极的距离增大。

本研究利用sla型3D打印机，评估了一种由柔性膜驱动的电容型传感器制作的气动点胶机。经证实，目前加工的直径为200 μm的喷嘴可以喷出400 ~ 450 nL的单滴。此外，变形随通过传感器施加在膜上的正压的大小和持续时间的变化而变化。

此外，测量并比较了去除进口压力后溶液不喷射的正常状态和异常状态的信号。去除进口压力后，CDC基础值降低。由此，可以确认对气动点胶机正常和异常弹射状态进行监测的可行性。

未来的研究方向是提高柔性电极膜传感器的稳定性和测量电路和系统的精度。在确定稳定的输出信号后，我们计划分析传感器在各种误差条件下(如喷嘴湿润和低正压)的响应，并根据各种解的物理性质研究信号的变化。

本文中包含了支持本文结论的数据集和一个电影。

AgNW:

银纳米线

聚四氟乙烯:

聚四氟乙烯

不适用。

本研究得到韩国政府(MSIT)国家研究基金(NRF)资助(No. 2020R1F1A1050735)。

作者和隶属关系

1. 韩国东义大学人工智能机器人研究所，釜山47340

   东关江

2. 东义大学机械、汽车和机器人零部件工程系，釜山，47340，韩国

   朴正宇，李尚民

贡献

DKK进行了实验并起草了手稿。JWP对实验结果进行了分析。SL起草、阅读并批准了最终的手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Sangmin李．

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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