[发明专利]一种电纺丝直写工艺闭环控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造电喷印领域，更具体地，涉及一种电纺丝直写工艺闭环控制方法。

背景技术

随着电子制造和微纳米制造的兴起，新型材料原来越多的被用在电子器件、医药等领域，功能聚合物材料由于具有特殊的物理、化学性质，显示出了极大的应用潜力。但由于其不同于传统的硅基材料，传统的微纳米制造工艺，如光刻、微铸等无法满足聚合物器件的要求。

喷印技术作为一种溶液化制造工艺，由于适合聚合物容易溶液化的特点，成为研究热点。传统的按需喷印(DOD)方法，采用压电、超声或热气泡作为驱动源，产生的液滴直径在20-50微米，1-10pL(pL即微微升)，但由于采用热力或者压力的方式产生喷射，使得液滴尺寸与喷嘴尺寸联系紧密，同时在大面积批量制造时，定位精度差，而且对于高粘度溶液容易产生液滴回弹现象。相比之下，通过电流体动力喷印能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。对于连续的电流体动力喷印也称为电纺丝技术。然而，静电纺丝中会产生“鞭动”等不稳定现象，难以用于高定位精度要求的喷印结构。

针对以上问题，Sun等提出了近场静电纺丝工艺，Bu等提出了力控电纺丝工艺，两种工艺都属于直写工艺，采用了很近的纺丝距离，采用直线段的射流进行纤维图案的沉积，可以获得多种复杂图案。但是二者都只是在原理上进行了验证，并未深入分析各参数设置对纺丝的影响，而在实际应用中，为了获得更加均匀结构和形貌的纺丝，必须引入闭环控制。在电纺丝中，影响纤维直径和形貌的因素很多，主要包括两类：环境参数和工艺参数，其中环境参数包括温度、湿度；工艺参数包括电压、流量、喷射高度、基材速度等；其中环境参数调整响应慢，调整机构复杂，通常保持恒定，而且极小的变化量对纤维直径影响较小；工艺参数中，为了保持喷射的稳定，喷射高度通常是固定的，调整的量为电压、基材速度和流量。其中流量调整通常通过改变注射泵的推进速度，通常由于存在软管连接针嘴和针筒，响应极其缓慢，不利于闭环控制。因此，采用电压和基材速度作为控制量是最佳选择。

针对电纺丝的闭环控制，现有技术主要采用的方式包括检测纺丝电流以及仿真时进行传递函数的求解：专利CN102582293A中提出了一种电纺直写闭环控制系统及控制方法，用来提高纺丝渗流喷射稳定性和纳米纤维直径均匀性，通过检测纺丝电流获取射流喷射状态，依据纺丝电流变化调节施加电压和供液流速，避免了各干扰因素的影响，实现纺丝射流的长时间稳定喷射，即，采用微弱电流检测器作为反馈单元，再通过与数据库数据对比调整工艺参数。专利CN102393648A公布了一种基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法，采用仿真得出的结果进行传递函数的求解，并返回控制有限元模型控制纤维直径。

然而，进一步的研究表明，尽管上述现有解决方案能在一定程度上对纺丝过程中纤维的直径、均匀性等进行控制，但仍然存在以下的技术问题：采用检测纺丝电流方式的，由于只是采用微弱电流检测器作为反馈单元，再通过与数据库数据对比调整工艺参数，只能间接的提供控制信息进行纤维的直径控制；同时由于与经验函数进行比较，容易造成较大的误差；并且由于电流数值较小，较小的噪声影响都会造成纺丝大的波动；而通过仿真时进行传递函数求解方式的，只进行的是虚拟控制，不能在实验装置上实现。可见，现有技术中还没有在实际操作中准确度高、能用于电纺丝直写工艺的闭环控制方法。本发明正是针对这一问题，提出一种实际有效的电纺丝直写控制方法，实现射流直写过程中的闭环控制，保证结构的均匀和喷射的稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，其中通过对其关键工艺步骤譬如反馈参数类别、参数反馈方式、控制方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决电纺丝直写工艺闭环控制难的问题，达到控制方法简单、控制准确度高的技术效果。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种电纺丝直写工艺闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得拟合的射流中心线、泰勒锥轮廓曲线：

首先，用高速相机按一定拍摄帧率拍摄得到多组射流和泰勒锥的照片；接着，从所述多组射流和泰勒锥的照片拟合得到射流的中心线、泰勒锥的轮廓曲线；

(2)在纺丝过程对射流中心线进行控制：

首先，采用高速相机捕获实际射流照片，并由控制计算机对所述捕获的实际射流照片进行图像处理、提取射流中心线数据，该射流中心线数据即为实际射流中心线；