基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺及制造装置及方法
【专利摘要】本发明是一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺及制造装置及方法。基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺是通过阵列喷头电纺直写技术先直写规则排列的不导磁聚合物纤维，形成一层不导磁的薄膜作为基板，然后直写规则排列的混有硬磁物质颗粒的聚合物纤维，形成结构规律均匀分布的表面有磁性的薄膜作为磁性尺，在磁性薄膜上用录磁头录制磁波，从而制成磁栅尺。可根据被测精度的要求在安装测量磁栅尺时改变磁栅尺精度。又由于聚合物电纺薄膜具有很强的吸附性，因此电纺直写精度可变磁栅尺可吸附在被测工件上，随被测工件同步膨胀或收缩，对环境的改变有很强的适应性。阵列喷头电纺直写技术可高精度直写多根电纺沉积，在保证生产精度的前提下生产效率高。
【专利说明】基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺及制造装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺及制造装置及制造方法，属于微纳级位移传感监测工具加工制造领域，特别是属于微纳三维快速成型领域。
【背景技术】
[0002]高压静电纺丝技术，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法。电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。孙道恒等人于2006年提出了近场电纺直写技术，近场电纺直写技术具有可靠的沉积精度，且参数可控，为电纺纳米纤维产业开拓了 一种新的方法。
[0003]在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化。1995年，麻省理工的E Sachs, M Cima和J Cornie创造了“三维打印”一词。随着三维打印精度的提高，三维打印可以最大限度地发挥材料的特性，只把材料放在有用的地方，减少材料的浪费。随着三维打印速率的提高，可以加快生产，让三维打印技术可以投入在工业生产中。近年来，三维打印技术有了巨大的进步，很多设备都付诸了工业应用，开创了直接数字制造的时代。随着三维打印精度与打印速度的进一步提高，未来三维打印将得到进一步的普及运用。
[0004]磁栅尺是磁栅数显系统的基准元件，波长是磁栅尺的长度计量单位，任一被测长度都可用其对应的若干磁栅波长之和来表不。磁栅尺是在非导磁材料商涂一层10-20um的硬磁物质。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺。本发明有很高的吸附性能，可以吸附在测量器件上，随器件的热胀冷缩而变化，其精度受环境影响小。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造装置。本发明所述基于电感效应的微纳级电磁栅尺的制造装置，是阵列式近场电纺直写设备，具有良好的自动控制性能，可以用作三维快速成型。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种操作简单的基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造方法。
[0008]本发明的技术方案是:本发明基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺，包括不导磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆盖在不导磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上录磁制成磁栅尺。
[0009]本发明基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺的制造装置，包括有XY平面运动平台、Z轴运动导轨、阵列喷头、注射泵、高压电源、高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器、电纺控制器、微电流检测器，其中XY平面运动平台用于提供电纺平台，并提供XY平面方向的相对运动；z轴运动导轨用于提供Z方向的距离控制；用于实施电纺的阵列喷头与注射泵连接，注射泵与注射泵控制器连接，注射泵控制器用于控制注射泵的工作状态；高压电源用于为阵列喷头提供电压，且高压电源与高压电源控制器连接，高压电源控制器用于控制高压电源的工作状态；用于控制Z轴导轨的运动状态的Z轴运动控制器与Z轴导轨的驱动装置连接；用于控制XY平面运动平台的工作状态的XY平台运动控制器与XY平面运动平台的驱动装置连接；用于检测电纺电流参数的微电流检测器装设在平面运动平台的旁侧，微电流检测器将检测的电纺电流参数反馈给用于确定电纺状态并调节电纺参数的电纺控制器，高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器与电纺控制器连接，电纺控制器用于在生产制造中协调控制高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器的控制状态。
[0010]本发明基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造方法，包括以下步骤:
12)制作不导磁基板:即在阵列喷头近场电纺直写平台上通过阵列喷头近场电纺直写的方法沉积一定厚度不导磁聚合物形成的不导磁薄膜；
13)覆盖磁性薄膜:将聚合物中混杂高导磁性材料颗粒，通过阵列喷头近场电纺直写的方法在不导磁薄膜上覆盖一层磁性薄膜；
14)录磁:去除首尾两端，并完成录磁过程，最终形成的磁栅尺。
[0011]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
1)本发明所述基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺，完全由高分子聚合物电纺直写而成，有很高的吸附性能；
2)本发明所述基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺，材料分布均匀且其结构与二维弹簧类似，可以均匀的拉伸一定长度，从而改变其栅线精度；
3)本发明所述基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺，可以吸附在测量器件上，随器件的热胀冷缩而变化，其精度受环境影响小；
4)本发明所述基于电感效应的微纳级电磁栅尺的制造装置，是阵列式近场电纺直写设备，具有良好的自动控制性能，可以用作三维快速成型。
[0012]5)本发明所述基于电感效应的微纳级电磁栅尺制造方法，基于阵列喷头近场电纺直写技术，加工精度高，加工效率也高。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1为阵列喷头近场电纺直写装置示意图。
[0014]图2为阵列喷头喷孔分布示意图。
[0015]图3为精度可变磁栅尺制造方法流程图。
[0016]图4为喷头路线示意图。
[0017]图5为一层纳米纤维薄膜示意图。
[0018]图6为精度可变磁栅尺示意图。
[0019]图7为拉伸后的精度可变磁栅尺示意图。
【具体实施方式】[0020] 实施例:
本发明基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的结构示意图如图6所示，包括不导磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆盖在不导磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上录磁制成磁栅尺。
[0021 ] 上述精度可变磁栅尺具有均匀的弹性结构。
[0022]上述不导磁薄膜基板和磁性薄膜沉积材料相同，沉积结构相同，且沉积分布均匀。
[0023]上述不导磁薄膜基板是通过多喷头电纺有序沉积不导磁聚合物形成的不导磁薄膜；磁性薄膜是由上述同一种聚合物混入硬磁材料颗粒后通过阵列喷头近场电纺直写形成。
[0024]本发明基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造装置，包括有XY平面运动平台l、z轴运动导轨2、阵列喷头3、注射泵4、高压电源5、高压电源控制器6、注射泵控制器
7、Z轴运动控制器8、XY运动平台控制器9、电纺控制器10、微电流检测器11，其中XY平面运动平台I用于提供电纺平台，并提供XY平面方向的相对运动；Ζ轴运动导轨2用于提供Z方向的距离控制；用于实施电纺的阵列喷头3与注射泵4连接，注射泵4与注射泵控制器7连接，注射泵控制器7用于控制注射泵4的工作状态；高压电源5用于为阵列喷头3提供电压，且高压电源5与高压电源控制器6连接，高压电源控制器6用于控制高压电源5的工作状态；用于控制Z轴导轨2的运动状态的Z轴运动控制器8与Z轴导轨2的驱动装置连接；用于控制XY平面运动平台I的工作状态的XY平台运动控制器9与XY平面运动平台I的驱动装置连接；用于检测电纺电流参数的微电流检测器11装设在平面运动平台I的旁侧，微电流检测器11将检测的电纺电流参数反馈给用于确定电纺状态并调节电纺参数的电纺控制器10，高压电源控制器6、注射泵控制器7、Z轴运动控制器8、XY运动平台控制器9与电纺控制器10连接，电纺控制器10用于在生产制造中协调控制高压电源控制器6、注射泵控制器6、Z轴运动控制器8、XY运动平台控制器9的控制状态。
[0025]其中，阵列喷头3的喷孔分布如图2所示。其喷孔阵列总共有50列，20行，总共1000个喷孔。其喷孔直径为0.1mm，在X方向喷孔中心距为0.15mm，Y方向喷孔中心距也为
0.15mm。每行之间错位0.0075mm,故最后沉积纳米纤维在X方向上中心线距也为0.0075mm。每列之间错位0.003mm,故最后沉积纳米纤维在Y方向上中心线距也为0.003mm。
[0026]本发明所述精度可变磁栅尺的制造方法流程图如图3所示，该制造方法包括以下步骤:
12)制作不导磁基板:即在阵列喷头近场电纺直写平台上通过阵列喷头近场电纺直写的方法沉积一定厚度不导磁聚合物形成的不导磁薄膜；
13)覆盖磁性薄膜:即在通过阵列喷头近场电纺直写的方法沉积一定厚度混有硬磁材料聚合物形成的不导磁薄膜；
14)录磁:去除首尾两端,用录磁磁头在磁性薄膜上记录磁极，N极和S极相间变化。
[0027]上述步骤12)在进行不导磁薄膜制造时，阵列喷头3按照正S型进行近场直写电纺，其喷头路线示意图如图4所示，其沉积一层纳米纤维薄膜，重复多次直到薄膜厚度达到指定厚度时停止，完成不导磁薄膜制造。本实施例中，阵列喷头3每次X方向上行进7.5mm, Y方向上行进15mm，执行η次，其沉积一层纳米纤维薄膜示意图如图5所示。重复多次直到薄膜厚度达到0.5-1_时停止，完成不导磁薄膜制造。然后，将聚合物中混杂镍-钴合金高导磁性材料颗粒，上述步骤13)用同样的工艺，在不导磁薄膜上覆盖一层10-20um厚的磁性薄膜。上述步骤14)去除首尾两端，用录磁磁头完成录磁过程，即在磁性薄膜上记录磁极，N极和S极相间变化，最终形成的磁栅尺如图6所示，上述步骤13)因为形成的薄膜内部结构与二维弹簧类似，且分布均匀，因此其弹性是线性，因此将其拉长之后，其栅距变化是均匀的，且变化与拉长量呈线性关系，拉长后磁栅尺示意图如图7所示。
[0028]本实施例中，上述阵列喷头每行每列都有一定量的错位，因此在进行X方向或Y方向的电纺直写时，避免了电纺丝线的重叠沉积，采用阵列喷头进行近场电纺直写加工，不仅生产精度高而且生产效率好。
[0029]本发明精度可变磁栅尺由于采用通过阵列式喷头的近场电纺直写技术直写不导磁高分子聚合物薄膜作为磁栅尺基底；在聚合物溶液中添加硬磁物质颗粒通过阵列式喷头的近场电纺技术直写磁性薄膜；并在磁性薄膜上用录磁磁头记录磁极的结构，该精度可变磁栅尺完全由高分子聚合物电纺直写而成，有很高的吸附性能，材料分布均匀且其结构与二维弹簧类似，可以均匀的拉伸一定长度，从而改变其栅线精度，且可以吸附在测量器件上，随器件的热胀冷缩而变化，其精度受环境影响小。本发明变磁栅尺制造装置，采用阵列喷头进行直写，加工效率高，能够较好的实现自动化控制，可用于基于阵列喷头的三维快速成型。
[0030]本发明精度可变磁栅尺制造方法，采用阵列喷头近场电纺直写不导磁高分子聚合物薄膜作为基底，在不导磁薄膜基底上采用阵列喷头近场电纺直写混有导磁材料颗粒的高分子聚合物薄膜，本发明方法制作的精度可变磁栅尺，全部由高分子聚合物电纺制成，具有良好的吸附性能，其组成结构分布均匀，且类似于二维弹簧，具有良好的线性弹性，精度可变。
[0031]本发明的工作原理如下:
本发明近场电纺可以实现直径由纳米级到微米级范围内近百种不同聚合物纳米纤维、各种类型聚合物、无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备。
[0032]本发明阵列式喷头采用近场电纺直写技术进行快速成型。将喷头喷针接高压正极，平台作为接收板接负极。在没加电压时，喷嘴处聚合物溶液在针头由于表面张力和重力的作用呈球状液滴，在电场力作用下，溶液中不同的离子或分子中具有极性的部分将向不同的方向聚集，喷嘴处的液滴表面就会聚集阳离子或分子中的缺电子部分。接通高压电源，在喷嘴处的液滴就会从球状液滴被拉长为锥状，也就是所谓的“泰勒锥”。在此，带电液滴在稳定落下5mm之后产生一个震荡、不稳定的喷射流阶段，因此保持喷头与加工面的距离在5mm之内的位置，在液滴滴落过程中溶剂会迅速挥发，在指定位置最终得到成形的纤维成型。
[0033]本发明近场电纺直写技术成膜分布均匀，内部结构有序，有良好的弹性和吸附性能。用阵列式喷头实施电纺成型，加工效率高，成型精度好。阵列式喷头所走路径为循环的正S型，其电纺纳米纤维线排布与二维弹簧相似。
[0034]本发明阵列喷头的喷嘴呈斜线交错分布，因此进行X轴或Y轴方向的直写走位时，沉积聚合物不会重叠堆置在一起。纺完一层膜之后，下一次膜位置应与第一次交错分布，这样可以保证最终成膜的均匀性。
【权利要求】
1.一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺，其特征在于包括不导磁薄膜基板和磁性薄膜，磁性薄膜覆盖在不导磁薄膜基板上，并在磁性薄膜上录磁制成磁栅尺。
2.根据权利要求1所述的基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺，其特征在于上述精度可变磁栅尺具有均匀的弹性结构。
3.根据权利要求1所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述不导磁薄膜基板和磁性薄膜沉积材料相同，沉积结构相同，且沉积分布均匀。
4.根据权利要求1所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述不导磁薄膜基板是通过多喷头电纺有序沉积不导磁聚合物形成的不导磁薄膜；磁性薄膜是由上述同一种聚合物混入硬磁材料颗粒后通过阵列喷头近场电纺直写形成。
5.一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造装置，其特征在于包括有XY平面运动平台(I)、Z轴运动导轨(2)、阵列喷头(3)、注射泵(4)、高压电源(5)、高压电源控制器(6)、注射泵控制器(7)、Z轴运动控制器(8)、XY运动平台控制器(9)、电纺控制器(10)、微电流检测器(11)，其中XY平面运动平台(I)用于提供电纺平台，并提供XY平面方向的相对运动；Z轴运动导轨(2)用于提供Z方向的距离控制；用于实施电纺的阵列喷头(3)与注射泵(4)连接，注射泵(4)与注射泵控制器(7)连接，注射泵控制器(7)用于控制注射泵(4)的工作状态；高压电源(5)用于为阵列喷头(3)提供电压，且高压电源(5)与高压电源控制器(6)连接，高压电源控制器(6)用于控制高压电源(5)的工作状态；用于控制Z轴导轨(2)的运动状态的Z轴运动控制器(8)与Z轴导轨(2)的驱动装置连接；用于控制XY平面运动平台(I)的工作状态的XY平台运动控制器(9)与XY平面运动平台(I)的驱动装置连接；用于检测电纺电 流参数的微电流检测器(11)装设在平面运动平台(I)的旁侧，微电流检测器(11)将检测的电纺电流参数反馈给用于确定电纺状态并调节电纺参数的电纺控制器(10)，高压电源控制器(6)、注射泵控制器(7)、Z轴运动控制器(8)、XY运动平台控制器(9)与电纺控制器(10)连接，电纺控制器(10)用于在生产制造中协调控制高压电源控制器(6)、注射泵控制器(6)、Z轴运动控制器(8)、XY运动平台控制器(9)的控制状态。
6.一种基于阵列喷头电纺直写精度可变磁栅尺的制造方法，其特征在于包括以下步骤: 12)制作不导磁基板:即在阵列喷头近场电纺直写平台上通过阵列喷头近场电纺直写的方法沉积一定厚度不导磁聚合物形成的不导磁薄膜； 13)覆盖磁性薄膜:将聚合物中混杂高导磁性材料颗粒，通过阵列喷头近场电纺直写的方法在不导磁薄膜上覆盖一层磁性薄膜； 14)录磁:去除首尾两端，并完成录磁过程，最终形成的磁栅尺。
7.根据权利要求6所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述步骤12)在进行不导磁薄膜制造时，阵列喷头按照正S型进行近场直写电纺，其沉积一层纳米纤维薄膜，重复多次直到薄膜厚度达到指定厚度时停止，完成不导磁薄膜制造。
8.根据权利要求6所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述步骤13)在不导磁薄膜上覆盖一层10-20um厚的磁性薄膜。
9.根据权利要求6所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述步骤14)用录磁磁头在磁性薄膜上记录磁极，N极和S极相间变化。
10.根据权利要求6所述的基于阵列喷头电纺直写的精度可变磁栅尺制造方法，其特征在于上述阵列喷头 每行每列都有错位。
【文档编号】G01B7/02GK103900456SQ201410099644
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】王晗, 李敏浩, 陈新, 陈新度, 朱自明, 唐立虎, 李炯杰, 巫孟良 申请人:广东工业大学