自動化電流體噴印平臺控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

潘艷橋，陳新元，曾良才

(1．武漢科技大學冶金裝備及控制教育部重點試驗室，湖北 武漢 430081；2．武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點試驗室，湖北 武漢 430081)

0　引言

電流體噴印(electrohydrodynamic printing,EHDP)[1]具有打印精度高(微納米級)、材料適用范圍廣(1～10 000 mPa·s)等特點，在印刷電子[2-3]、生物醫(yī)藥[4]以及傳感器[5-8]等領域具有廣闊的應用前景。由于自動化程度不高、打印效率低以及適應性不強等問題，電流體噴印未能得到工業(yè)應用。自動化程度不高主要表現(xiàn)在兩個方面。首先，平臺各模塊之間缺少交互和反饋。其次，圖案的適應性不足，只能打印一些簡單圖案，比如點陣、線陣和薄膜[9]。為提高電流體噴印平臺圖案打印的兼容性和多樣性，實現(xiàn)從位圖輸入到基底圖案的自動化打印，本文提出了一種以圖像解析為基礎，基于控制卡調控工作電壓、氣壓和運動參數的自動化按需噴印方法，設計并驗證了面向該自動化電流體噴印平臺的控制系統(tǒng)。

1　自動化按需電流體噴印控制方法

自動化按需噴印控制方法是設計和實現(xiàn)控制系統(tǒng)的前提。本節(jié)從工藝原理和自動化電流體噴印的控制策略這兩個方面進行介紹。

1.1　電流體噴印工藝原理

電流體噴印利用高壓電場誘導噴嘴處的懸滴發(fā)生流變，形成泰勒錐后產生射流噴射，在基底上沉積后形成圖案，具有分辨率高、材料適應性廣、噴嘴不易堵等優(yōu)點。電流體噴印平臺通常包括高壓電源、噴嘴和基板等組件，其工藝原理如圖1所示。

圖1　電流體噴印工藝原理圖

溶液供給噴嘴末端，形成初始懸滴。向噴嘴與基板之間施加高壓電場，此時懸滴的形狀由重力、表面張力和電場力共同確定[10]。當電壓較小時，懸滴在場致流變作用下會逐漸形成彎月面；當電壓達到一個臨界值時，彎月面頂端液體所受的電場力與表面張力的平衡被打破，液滴從泰勒錐尖端射出，形成射流[11]。受溶液參數、結構參數和工藝參數的影響，電流體噴印射流具有多種形態(tài)[12]，可實現(xiàn)電噴印[13-14]、電紡絲[15-16]和電噴霧[17-18]這三種打印形式。當前，這三種打印形式可分別制備出直徑為200 nm的液滴[13]、直徑為50 nm的纖維[13]和厚度為20 nm的薄膜[19]。

1.2　自動化按需電流體噴印的控制策略

從工藝原理可知，電流體噴印開啟的條件是有足夠的流量和電場強度的輸入[20]。而要實現(xiàn)自動化噴印，需先建立輸入圖案與基板上待噴射液滴之間的映射，然后通過控制基板移動到每一個待打印點以及噴嘴進行噴印。本文以圖案解析為基礎，基于數字運動控制卡協(xié)調控制運動、氣壓和電壓參數的自動化電流體噴印控制策略，實現(xiàn)了從位圖輸入到基底圖案成形的全自動化。自動化電流體噴印原理如圖2所示。

圖2　自動化電流體噴印原理圖

為實現(xiàn)從“位圖輸入”到“圖案成形”，首先，通過計算機將所輸入的圖案解析出待打印點的位置坐標序列，并傳遞給運動控制卡，進而分解成各電機軸的路徑文件；然后，借助運動控制卡進行參數調控，使噴嘴能在要求的時間和位置打印目標液滴。 控制策略具體說明如下。

①圖像解析對輸入的位圖進行圖像處理，得到圖案中待打印點的位置坐標信息。圖像解析通常包括灰度變換、圖像二值化、圖像插值、圖像光柵化處理等過程。灰度變換指的是將彩色的圖片變成黑白的、帶有不同灰度的圖。圖像二值化是對一幅灰度圖像進行閾值處理，將高于某一灰階閾值的像素點顯示為白色，其余顯示為黑色。其目的是進一步提取重要特征信息。利用圖像插值算法，將低分辨率的位圖加密成高分辨率的位圖。實際上，圖像插值就是利用已知鄰近像素點的灰度值來產生未知像素點的灰度值，以便原始圖像生成更高分辨率的圖像。

②基于運動控制卡的參數協(xié)調控制，是指在打印的過程中，對平臺的實時運動狀態(tài)、氣壓輸入狀態(tài)、電壓的供給參數按特定時序進行控制。打印開始時，初始化并設定合適的工藝參數來控制噴嘴處彎月面。然后，運動平臺根據圖形解析所得的位置信息，運動到第一個待打印點處。接著，控制噴嘴端的輸出電壓使噴嘴打印第一個點。在該點打印完成后，切斷噴嘴端的電壓輸出信號，平臺運動到第二個待打印點處。運動停止后，重新施加電壓輸出信號，使噴嘴打印第二點。依次類推，直至打印結束。

噴印平臺打印圖案時，工藝過程分為圖案輸入/解析、圖案打印和工位移動三個階段，可簡化為噴嘴相對目標襯底的移動、噴印、再相對移動、再打印的循環(huán)過程。自動化電流體噴印控制流程如圖3所示。

圖3　自動化電流體噴印流程圖

2　控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

上一節(jié)提出了自動化電流體按需噴印控制策略。本節(jié)面向電流體噴印平臺，設計并驗證了能使噴嘴進行自動化電流體噴印的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的硬件部分用于執(zhí)行軟件部分所要求的各種操作指令，為整個控制系統(tǒng)提供了良好的保障；軟件部分作為控制系統(tǒng)的靈魂，需要將控制策略轉變成一系列控制指令序列，使整個平臺有序工作。

2.1　控制系統(tǒng)硬件設計

為實現(xiàn)電流體噴印平臺的自動化按需噴印，所設計的控制系統(tǒng)采用“計算機嵌入網絡計算機(network computer,NC)”型開放式系統(tǒng)結構，即工控機(工業(yè)計算機)結合數字運動控制卡的方式。

工控機作為上位機，實現(xiàn)人機交互、各模塊管控協(xié)調、視覺圖像處理以及運動指令發(fā)送。運動控制卡作為下位機，接收上位機的調度指令，實現(xiàn)各個運動軸按照設定的軌跡運動。通過I/O端口的電壓/電流信號輸出，運動控制卡協(xié)助上位機控制能被觸發(fā)信號控制的部件，如典型的函數信號發(fā)生器、精密流量泵、電氣比例閥等。工控機與運動控制卡通過外設部件互連標準(perpheral component interconnect,PCI)總線通信，通過以太網與工業(yè)相機通信。工控機采用研華的工控機，運動控制卡采用Turbo I型可編程多軸運動控制器(programmable multi-axes controller,PMAC)[21]，基板運動平臺采用Parker公司的無鐵芯直線410系列直線電機和驅動器，噴嘴運動平臺采用安川第五代SGMJV伺服電機和驅動器。具體的控制系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)結構圖

2.2　控制系統(tǒng)軟件設計

為使電流體噴印平臺穩(wěn)定、可靠且易于擴展，控制系統(tǒng)軟件采用VC++的編譯環(huán)境，可保證功能性以及美觀性。根據自動化噴印控制策略所需要完成的流程，軟件系統(tǒng)主要包括三個模塊：①上位機，建立人機交互界面，實現(xiàn)參數輸入、系統(tǒng)設置等功能；②驅動程序，在上位機和下位機之間建立通信；③運動控制程序，通過對PMAC運動控制卡編程，實現(xiàn)對系統(tǒng)的伺服控制和順序控制，以及機械平臺的運動和邏輯控制等功能。通過對控制系統(tǒng)的軟件進行設計，實現(xiàn)了上位機與底層控制程序、各工藝參數控制模塊之間的快速數據傳遞。

控制系統(tǒng)軟件設計通過控制電氣比例閥的狀態(tài)來控制氣壓的輸入；通過對函數信號發(fā)生器的輸出狀態(tài)進行通斷控制，以實現(xiàn)對噴嘴電壓輸入狀態(tài)的調控。具體實現(xiàn)過程如下。

首先，PMAC卡將目標點位坐標序列編譯成位置坐標指令，并向直線電機發(fā)送位置坐標指令，以實現(xiàn)平臺的運動路徑控制。然后，通過PMAC主卡上的控制時鐘以及通道、I/O等模擬和開關量控制，調控氣壓、電壓參數?？刂茪鈮耗軌驅崿F(xiàn)噴嘴末端彎月面形狀的精確調控。本系統(tǒng)中，借助控制卡通道來控制ITV0010系列電氣比例閥的氣壓輸出，并能實現(xiàn)0.2～1 kPa范圍內(精度0.1 kPa)的恒定氣壓輸出?？刂茋娮斓碾妷褐饕菫榱藢崿F(xiàn)噴嘴打印狀態(tài)的切換，即控制其在特定的時刻進行噴印。高電壓的生成通過函數信號發(fā)生器組合高壓放大器實現(xiàn)。高壓放大器將函數信號發(fā)生器生成的波形信號放大1 000倍后，輸出至噴嘴。因此，通過PMAC卡的I/O信號接通或屏蔽函數信號發(fā)生器向脈沖放大器的輸出，即可實現(xiàn)噴嘴高電壓的通斷控制。通過O口輸出電平信號至信號發(fā)生器的外部觸發(fā)口。若輸出信號大于3.5 V，能屏蔽函數發(fā)生器信號的輸出。若輸出電壓小于3.5 V，函數發(fā)生器能正常輸出脈沖信號。

2.3　試驗驗證

本文通過噴印試驗，驗證了所設計控制系統(tǒng)的可行性，試驗步驟如下。

①平臺初始化，設置溶液參數和工藝參數，向墨盒中注入標準的電流體噴印測試溶液乙二醇水溶液(體積比1∶1)，并且設置墨盒末端的氣壓(約為0.8 kPa)以及噴嘴能夠進行噴印的電壓工藝參數(偏置1.2 kV、幅值0.2 kV、噴嘴距離基板1 mm、占空比5%、頻率1 Hz)。

②向平臺的工控機輸入字母“H”的BMP位圖文件，工控機通過解析算法將圖案解析成各電機軸的運動坐標序列。

③點擊開始打印按鈕，使平臺開始按照設定進行工作。試驗中，設備初始運行到原點，然后移動到第一個待打印點處，開始自動地逐行掃描并打印，直至最后一個待打印點打印結束。在打印的過程中，平臺能夠實現(xiàn)輸入圖案的自動打印。這表明所搭建的自動化按需電流體噴印的控制系統(tǒng)是可行的。

3　結束語

本文針對電流體噴印平臺打印兼容性和效率不足的問題，提出了一種基于圖像解析和運動控制卡調控的控制策略，設計了一套能實現(xiàn)自動化按需電流體噴印的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PMAC數字運動控制卡為控制核心，以工控機為上位機，并選擇VC++作為用戶界面軟件的開發(fā)環(huán)境。試驗證明，所提出的自動化噴印方法能穩(wěn)定實現(xiàn)自動化噴印。本文設計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了圖案的自動化打印成形，有效提高了電流體噴印平臺的應用拓展性，具有實用價值，為印刷電子、大規(guī)模傳感器制備、生物醫(yī)藥領域的研究發(fā)展奠定了基礎。

參考文獻:

[1] 尹周平,黃永安,布寧斌，等.柔性電子噴印制造:材料、工藝和設備[J].科學通報,2010,55(25):2487-2509.

[2] CHEN Y,AU J,KAZLAS P,et al.Electronic paper:Flexible active-matrix electronic ink display[J].Nature,2003,423(6936):136.

[3] KIM B H,ONSES M S,LIM J B,et al.High-resolution patterns of quantum dots formed by electrohydrodynamic jet printing for ligh-emitting diodes[J].Nano Letters,2015,15(2):969-973.

[4] YU D G,WILLIAMS G R,WANG X,et al.Dual drug release nanocomposites prepared using a combination of electrospraying and electrospinning[J].RSC Advances,2013,3(14):4652-4658.

[5] SOMEYA T,SEKITANI T,IBA S,et al.A large-area,flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2004,101(27):9966-9970.

[6] MANNSFELD S C,TEE B C,STOLTENBERG R M,et al.Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers[J].Nature Materials,2010,9(10):859-864.

[7] YAMADA T,HAYAMIZU Y,YAMAMOTO Y,et al.A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection[J].Nature Nanotechnology,2011,6(5):296-301.

[8] MCALPINE M C,AHMAD H,WANG D,et al.Highly ordered nanowire arrays on plastic substrates for ultrasensitive flexible chemical sensors[J].Nature Materials,2007,6(5):379-384.

[9] LEE D Y,SHIN Y S,PARK S E,et al.Electrohydrodynamic printing of silver nanoparticles by using a focused nanocolloid jet[J].Applied Physics Letters,2007,90(8):879.

[10]CHOI J,KIM Y J,LEE S,et al.Drop-on-demand printing of conductive ink by electrostatic field induced inkjet head[J].Applied Physics Letters,2008,93(19):203.

[11]RENEKER D H,YARIN A L.Electrospinning jets and polymer nanofibers[J].Polymer,2008,49(10):2387-2425.

[12]JAWOREK A,KRUPA A.Classification of the modes of EHD spraying[J].Journal of Aerosol Science,1999,30(7):873-893.

[13]PARK J U,HARDY M,KANG S J,et al.High-resolution electrohydrodynamic jet printing[J].Nature Materials,2007,6(10):782-789.

[14]MISHRA S,BARTON K L,ALLEYNE A G,et al.High-speed and drop-on-demand printing with a pulsed electrohydrodynamic jet[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,20(9):1-4.

[15]BHARDWAJ N,KUNDU S C.Electrospinning:a fascinating fiber fabrication technique[J].Biotechnology Advances,2010,28(3):325-347.

[16]SUN D H,CHANG C,LI S,et al.Near-field electrospinning[J].Nano Letters,2006,6(4):839-842.

[17]JAWOREK A.Micro-and nanoparticle production by electrospraying[J].Powder Technology,2007,176(1):18-35.

[18]JAWOREK A.Electrospray droplet sources for thin film deposition[J].Journal of Materials Science,2007,42(1):266-297.

[19]ALTMANN K,SCHULZE R D,HIDDE G,et al.Electrospray ionization for deposition of ultra-thin polymer layers-principle,electrophoretic effect and applications[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2013,27(9):988-1005.

[20]KIM H,SONG J,CHUNG J,et al.Onset condition of pulsating cone-jet mode of electrohydrodynamic jetting for plane,hole,and pin type electrodes[J].Journal of Applied Physics,2010,108(10):431.

[21]薄晶杰,林鋒,劉錦洋,等.核電廠TES水泥固化線控制策略研究與應用[J].自動化儀表,2015,36(11):26-29.