微滴噴射閥的種類及發(fā)展?fàn)顩r

羅瑩瑩，羅志偉，趙小雙，李志紅

(廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

微滴噴射閥的種類及發(fā)展?fàn)顩r

羅瑩瑩，羅志偉，趙小雙，李志紅

(廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

介紹了微滴噴射技術(shù)原理，對(duì)各種微噴技術(shù)進(jìn)行歸納、總結(jié)、分類，闡述了各種類型微噴技術(shù)的機(jī)理與特點(diǎn)，并對(duì)各種微滴噴射閥進(jìn)行了對(duì)比。系統(tǒng)地分析了微噴技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)氣壓驅(qū)動(dòng)閥控制式微噴技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并指出該項(xiàng)技術(shù)存在的問題。

微滴噴射閥；容腔體積不變式；氣動(dòng)閥控式

液滴是自然界最普遍的現(xiàn)象，來源于噴墨打印技術(shù)的微滴噴射屬于直寫式精密加工技術(shù)[1]，因其噴射精度高、響應(yīng)速度快及可控制性好，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，無論是在微機(jī)械工程、微電子工程，還是生命科學(xué)與生物工程[2]，其發(fā)展直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)水平的增長及生活水平的提高。微滴噴射技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜三維模型、電子元器件制造、體外生物組織重建方面優(yōu)勢(shì)顯著：因其屬于增材料制造技術(shù)，材料利用率高、成本低，廣泛應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)及單個(gè)微型零部件的生產(chǎn)制造中；噴射液滴微粒小、精度高，對(duì)電子元器件的集成化、微型化、精密化起到了很大的作用；響應(yīng)速度快、可控制性好，在重構(gòu)生物組織、藥品分配中起著較大的作用[2]。

1 微滴噴射原理及種類

液體在周期性的外力作用下，克服自身表面張力和噴嘴摩擦力即可形成液滴。控制外作用力的作用時(shí)間、頻率和力度，即可控制噴射液滴的尺寸和噴射速度。按液體容腔體積是否改變可將微滴噴射閥劃分為液體容腔體積發(fā)生改變式和液體容腔體積不變式2種。液體容腔體積改變式主要有膜片式、靜電式。容腔體積不變式又可按微滴噴射閥內(nèi)是否有運(yùn)動(dòng)部件分為運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式和非運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式。運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式主要有機(jī)械閥式[3-4]、電磁致動(dòng)式[5]、應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式[6]；無運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式主要有電磁力驅(qū)動(dòng)式[7]、聲學(xué)激勵(lì)方法[8]、激光激勵(lì)式[9]。微滴噴射技術(shù)分類如圖1所示。

圖1 微滴噴射技術(shù)分類

膜片式按驅(qū)動(dòng)力的不同又可分為氣動(dòng)膜片式[10-13]、壓電驅(qū)動(dòng)膜片式[12-16]。氣動(dòng)膜片式微滴噴射閥與壓電驅(qū)動(dòng)膜片式微滴噴射閥的區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)力的不同。氣動(dòng)微滴噴射閥的驅(qū)動(dòng)力是空氣而壓電驅(qū)動(dòng)膜片式的驅(qū)動(dòng)力是壓電陶瓷。其基本原理都是在周期性的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，膜片實(shí)現(xiàn)周期性彈性形變，膜片的彈性形變使液體腔的體積發(fā)生改變從而控制微液滴的產(chǎn)生。改變氣體脈沖的頻率即可實(shí)現(xiàn)噴射的速度，具有響應(yīng)速度快、頻響范圍寬等優(yōu)勢(shì)，但是受溫度特性的限制，不適合高黏度材料的噴射，且價(jià)格昂貴，也不易拆卸、清洗。2種不同驅(qū)動(dòng)力式的膜片式微滴噴射閥如圖2所示。

圖2 膜片式微滴噴射閥

靜電式微滴噴射閥[17]的基本原理：在電極上輸入一適當(dāng)電壓時(shí)，由于電極與壓板之間所產(chǎn)生的靜電吸附力使壓板變形、容腔內(nèi)體積變大，迫使液體噴射形成液滴。該噴射閥消耗的功率小，但由于靜電作用產(chǎn)生的變形有限，需要較大的隔膜，然而隔膜較大將會(huì)影響制造成本、分辨率和噴射速度，如圖3所示。

圖3 靜電式微滴噴射閥

微滴噴射閥內(nèi)有運(yùn)動(dòng)部件的噴射閥包括機(jī)械式、電磁致動(dòng)式和應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式。機(jī)械式微滴噴射閥撞針在外力作用下移動(dòng)一定的距離，使噴嘴處的局部壓力增大，從而導(dǎo)致噴嘴處的膠液形成束狀流體緊接著被切斷，進(jìn)而脫離噴嘴噴射在基板上形成液滴[18]，適用于高黏度液體。閥控式微滴噴射閥中有機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件(活塞、控制閥等)，受這些零件的慣性影響，其噴射精度、靈敏度和工作頻率不夠高，且在液體濃度過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)流涎，難以控制成形。電磁致動(dòng)式微滴噴射閥的原理：當(dāng)給電磁致動(dòng)器輸入脈沖信號(hào)時(shí)，電磁致動(dòng)器沖擊膜片，致使坩堝內(nèi)振動(dòng)閥桿受迫向下移動(dòng)，液態(tài)原料的體積被壓縮，使液滴克服噴嘴處摩擦阻力以及自身的表面張力從噴孔噴射而出；之后，閥桿在恢復(fù)力的作用下復(fù)位，完成一個(gè)噴射周期。該噴射閥成本較低，但被噴射溶液中有運(yùn)動(dòng)部件。應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式是沖擊桿在脈沖信號(hào)的作用下沖擊傳振桿，傳振桿加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波使液體噴出微滴噴射閥形成液體。通過改變沖擊桿的加速行程即可改變沖擊桿的沖擊能，產(chǎn)生不同的應(yīng)力波，以滿足不同材料的噴射要求，其能夠產(chǎn)生比噴嘴尺寸小的金屬微滴。該噴射裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、成本低，易控制等優(yōu)點(diǎn)。微滴噴射閥內(nèi)有運(yùn)動(dòng)部件的3種噴射閥如圖4所示。

無運(yùn)動(dòng)件驅(qū)動(dòng)式主要有電磁力驅(qū)動(dòng)式、聲學(xué)激勵(lì)方法[8]、激光激勵(lì)式[9](見圖5)。電磁力驅(qū)動(dòng)式[7]的基本原理：建立一個(gè)方向和大小都恒定的磁場，在給導(dǎo)電金屬流體通以可控電流后，導(dǎo)電流體在洛倫磁力的作用下通過噴嘴噴射成滴；在電場和磁場同時(shí)作用下產(chǎn)生的電磁體積力，由于電能和磁能沒有相互轉(zhuǎn)換，故在改變電流時(shí)，洛侖茲力也能瞬間發(fā)生變化，所以可通過控制電流來控制液滴大小、噴出和停止。該噴射閥具有較好的可控性和速度響應(yīng)性能，但是需要加熱裝置，材料必須導(dǎo)電，焊料高溫容易被氧化。聲學(xué)激勵(lì)方法通過聚焦聲學(xué)能量使微孔板中液面產(chǎn)生波動(dòng)，從而分裂出微小液滴并轉(zhuǎn)移到蓋板上。它具有動(dòng)力源溫和、無污染、一致性好、可噴射高黏度液體、噴射微粒達(dá)PL級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，但是不適用于固態(tài)金屬。激光激勵(lì)式是通過激光束給焊絲加熱使焊絲熔化，熔化的焊液在重力作用下克服液體表面張力脫離焊絲形成液滴，可通過計(jì)算機(jī)控制激光束和焊料的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)尺寸及噴射頻率的控制。惰性氣體的作用是避免焊滴被氧化。其焊點(diǎn)體積小，且尺寸很容易被控制。但是，當(dāng)激光功率過高或者脈沖持續(xù)時(shí)間過短時(shí)，焊絲將在熔化分解之前被打斷，則無法得到理想的焊點(diǎn)。

圖4 有運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式

圖5 無運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)式

綜上所述，微滴噴射閥因其結(jié)構(gòu)的差異和驅(qū)動(dòng)力的不同，使各種微滴噴射閥在使用范圍、精度、可控制性、響應(yīng)速度等方面各有優(yōu)勢(shì)，優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 微滴噴射方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 微滴噴射的應(yīng)用

微滴噴射應(yīng)用的廣泛性是基于其噴射材料的多樣性，包括從墨水到水性溶液，到固體可熔金屬，再到生物活性溶液。它主要應(yīng)用于機(jī)械工程、微電子工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

相對(duì)于減材料制造的增材料制造技術(shù)——微滴噴射成型[19]，通過將復(fù)雜的三維形體切片處理轉(zhuǎn)化為簡單的二維截面，即三維至二維的轉(zhuǎn)化，無需模具，能有效解決材料對(duì)加工工具和模具依賴性，使工件的成形大為簡化。加工工藝周期減短，材料廢棄量少，利用率高，成本降低。因其具有極大的柔性，理論上可以制造任何復(fù)雜形狀、大小的物體，這是傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝所無法達(dá)到和實(shí)現(xiàn)的。采用三維微滿噴射成形能夠及時(shí)、方便地制作原型件，特別是形狀復(fù)雜的原型件。原型件的形狀愈復(fù)雜，微滴噴射快速成形增材料加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)愈明顯。如三維金屬微構(gòu)件、陶瓷模型、首飾蠟?zāi)！⒔ㄖＰ蚚19-21]。圖6為采用三維打印技術(shù)打印的一些模型和構(gòu)件。

圖6 微噴在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

在微電子領(lǐng)域中，人們對(duì)電子產(chǎn)品的性能和質(zhì)量也提出了更高的要求。電子元器件越來越趨于集成化、精密化和微型化，集成電路對(duì)半導(dǎo)體封裝技術(shù)也提出了更高的要求[3]。而流體點(diǎn)膠因其使用的流體材料種類多、黏度范圍大且有噴射液滴小、定位精準(zhǔn)性高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)越來越廣泛地被應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，如微電子制造[22-24]、微電子封裝[3,25-27]。流體點(diǎn)膠技術(shù)在微元器件制造及微電子封裝中的一些應(yīng)用實(shí)例如圖7所示。

圖7 微電子中部分應(yīng)用實(shí)例

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療藥物和醫(yī)療技術(shù)的提高得到了廣泛關(guān)注。在體外模仿構(gòu)建具有一定生物功能的組織和結(jié)構(gòu)，對(duì)于生產(chǎn)疫苗預(yù)防疾病、替代損傷組織恢復(fù)組織功能以及治療疾病康復(fù)身體具有重要的意義[31]。微滴噴射技術(shù)可用于無損傷微量地遞送稀少藥物，從而降低生產(chǎn)成本；也可用于遺傳物質(zhì)及臨床應(yīng)用的假體、可降解組織工程支架、含有細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)體、微膠囊、精細(xì)生物支架、復(fù)雜器官的三維構(gòu)建[32-34]等。圖8為噴墨打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的一些應(yīng)用[35]。

圖8 微噴技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3 氣動(dòng)閥控制式微噴研究現(xiàn)狀

氣壓驅(qū)動(dòng)微滴噴射可分為氣壓直接驅(qū)動(dòng)式[36-38]、氣壓驅(qū)動(dòng)膜片式[39-40]、氣動(dòng)撞針式3種。

多倫多大學(xué)的Chandra和Jivraj提出氣壓直接驅(qū)動(dòng)式微噴技術(shù)。該裝置通過控制電磁閥的開關(guān)形成氣體脈沖,直接作用于液面上將液體從噴嘴處噴出從而形成液滴。由于氣體的可壓縮性，噴射液滴的可控制性和穩(wěn)定性差，精度也不高。華中科技大學(xué)張鴻海、舒霞云、謝丹[11][39-42]等在分析氣壓直接驅(qū)動(dòng)微噴技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了氣動(dòng)膜片式微滴噴射技術(shù)。與氣壓直接驅(qū)動(dòng)式相比，這種微滴噴射技術(shù)減小了氣壓工作腔的體積和壓力傳動(dòng)路徑，在微滴成形的尺寸一致性上有了一定的改善，但不適用于高黏度液體。驅(qū)動(dòng)源為空氣的閥控式撞針微滴噴射閥采用壓縮空氣使活塞運(yùn)動(dòng)，控制微型控制閥開啟或關(guān)閉使液體噴射而出，可以通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓量，改變控制閥的開啟量、進(jìn)氣壓力或噴嘴直徑控制液滴大小和噴射速度，適用于高黏度和金屬液體的噴射。

4 結(jié)束語

微噴技術(shù)是基于 Rayleigh 在19世紀(jì)對(duì)穩(wěn)定的液體射流斷裂產(chǎn)生液滴的研究[43]而產(chǎn)生。Sweet[44]在1965年提出了用電場來控制微滴的方法，這成為以后連續(xù)式噴墨打印機(jī)的基礎(chǔ)。20 世紀(jì)70年代的 Zoltan和 Kyser的2個(gè)專利標(biāo)志著壓電式微滴噴射閥也是最早的DOD 式微滴噴射閥的誕生。之后不斷出現(xiàn)了不同驅(qū)動(dòng)方式的微滴噴射閥，如熱氣泡式、閥控制式、 聲學(xué)激勵(lì)式、激光激勵(lì)式等。各種微滴噴射閥滿足了不同工程的需求，但是對(duì)于高熔點(diǎn)金屬的噴射，由于加熱對(duì)設(shè)備本身壽命的影響，其加熱裝置也需要進(jìn)一步改進(jìn)，這對(duì)絕緣材料的性能提出了更高的要求。理論上噴嘴噴孔越小，能噴射的液滴就更小，但是過小的噴孔容易被堵塞，也不易加工。整個(gè)系統(tǒng)的性能影響了液滴的最終成型，需要尋找更好的方案為整個(gè)微滴噴射系統(tǒng)建立一個(gè)有效的數(shù)學(xué)模型。不可否認(rèn)的是，微噴技術(shù)對(duì)現(xiàn)代化建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了很大的作用，科學(xué)工作者們正在為微噴的進(jìn)一步改進(jìn)和完善不懈地努力?？梢灶A(yù)見的是，在未來道路的發(fā)展進(jìn)程中，微噴技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，前景也將會(huì)更加光明。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Types and Development Status of Micro-Droplet Jetting Valve

LUO Ying-ying, LUO Zhi-wei, ZHAO Xiao-shuang, LI Zhi-hong

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

This article introduced the principle of droplet spray technology. A variety of micro spray technology were summarized, concluded and classificated. It also expounded the mechanism and a characteristic of various types of micro spray technology, and compared the various micro drip nozzles. Application domain of micro spray technology system were analyzed. Study of air pressure drive valve control micro-sprinkler technology’s present situation was also analyzed and the existing problems were pointed out, which has good guidance meaning to the direction of the research.

micro-droplet jetting valve; invariant vessel volume; pneumatic generator

2015-08-18 基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015J01227)；福建省教育廳A類課題(JA13237)

羅瑩瑩(1990—)，女，福建尤溪人，碩士研究生，主要從事微滴噴射方面的研究。

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1674-8425(2015)12-0077-07