[發(fā)明專利]電紡直寫閉環(huán)控制方法

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• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN109306527A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 不公告發(fā)明人
• 申請（專利權）人: 肖佳楠
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供了一種電紡直寫閉環(huán)控制方法，能夠提高直寫射流穩(wěn)定性、微納結構均勻性和沉積精度。利用視覺檢測技術根據射流行為以及微納結構形貌位置做出實時判斷并分別進行控制，對兩者分別采取施加電壓調節(jié)和運動平臺速度位置調節(jié)的方式進行調控，避免了相互干擾，能夠保持長時間的穩(wěn)定噴射，實現圖案化沉積。

技術領域

本發(fā)明涉及一種電紡直寫控制方法，具體為一種基于視覺檢測的電紡直寫閉環(huán)控制方法。

背景技術

隨著柔性電子技術的發(fā)展，微納米結構精確控制成為研究重點。電液動力耦合噴印的靜電紡絲技術作為一種溶液化制造技術，相比于傳統(tǒng)噴印技術，能夠得到尺寸更小的纖維，直徑達到納米級別。然而靜電紡絲生產出來的纖維難以定位沉積，很難有序收集。目前，近場電紡直寫技術作為一項新興技術，能夠實現直徑幾納米到數百納米范圍多種材料纖維的制備，速度快、精度高，已經在眾多領域展現出極大的優(yōu)越性。

電紡直寫技術是利用高壓靜電場力拉伸聚合物溶液產生射流進而得到直寫纖維的過程，射流直徑受噴頭內徑影響小，能夠顯著減小噴印結構的尺寸。由于其噴頭距離收集板較近，能夠有效克服傳統(tǒng)紡絲過程中射流的分叉及螺旋不穩(wěn)定運動，實現單射流噴印，提高了系統(tǒng)可控性。但由于電紡直寫過程變化速度快、射流直徑小，易受到多方面因素的干擾，噴印過程存在較大的隨機性。在實際操作過程中，為了得到更加均勻的微納結構，需要引入閉環(huán)控制系統(tǒng)。電紡直寫過程復雜，沒有明確的數學控制模型，缺乏合適的控制策略限制了電紡直寫微納結構均勻性和定位精度的進一步提高。

影響電紡直寫的因素主要包括環(huán)境因素和工藝參數。環(huán)境因素包括溫度、濕度等參數，這些因素對具體作用機制尚不明確，且射流行為的影響較小，改變環(huán)境因素對射流的作用并不明顯；工藝參數包括電壓、供液速度、噴頭到收集板的距離、收集板運動速度等，在射流過程中為保證射流穩(wěn)定，噴頭部位通常不會發(fā)生移動，故不會在射流過程中調節(jié)噴頭到收集板的高度，而對于供液速度的調節(jié)通常響應需要20分鐘以上，不能實現實時調整。故根據直寫過程能夠實時調整的量通常為施加電壓、收集板運動速度。

目前針對電紡直寫的閉環(huán)控制，主要的控制策略為檢測直寫電流及射流的泰勒錐行為。首先根據直寫電流作為反饋量構建閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法，調節(jié)施加電壓和供液速度以獲得較為穩(wěn)定的射流行為和較好的納米纖維均勻性，這種方法通過檢測電流作為反饋，是一種間接的測量方式，容易造成較大的誤差，無法保證纖維定位精度。另一種是針對泰勒錐形貌及中心線進行檢測，構建PID閉環(huán)控制算法，這種方法只通過泰勒錐和中心線進行檢測，只能分析射流行為中很小的一部分情況，即存在泰勒錐時的射流形貌，難以滿足復雜的射流過程，由于射流速度快，只通過這種方法進行會造成調節(jié)頻繁，導致超調，可能引起更大的射流波動。在電紡直寫過程中最重要的是環(huán)節(jié)是得到均勻的微納結構，而以上兩種方法都沒有涉及直寫纖維形貌。由此可見在現有技術在運用到實際中以實現電紡直寫閉環(huán)控制時都存在一定的問題。本發(fā)明針對以上問題，提出了一種行之有效的電紡直寫閉環(huán)控制策略，針對射流行為和微納結構進行調控，能夠提高射流穩(wěn)定性，有效改善微納結構的均勻性以及定位精度。

發(fā)明內容

針對目前技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種電紡直寫閉環(huán)控制方法。

本發(fā)明設有注射器儲液器、精密注射泵、噴頭、收集板運動平臺、電荷耦合元件圖像傳感器(CCD)、數控高壓直流電源、和控制計算機。注射器儲液器經由精密注射泵以穩(wěn)定的供液速度為噴頭供給聚合物溶液；收集板接地并置于運動平臺上，用于收集微納結構；兩臺電荷耦合元件圖像傳感器(CCD)均連接到控制計算機上，分別用于監(jiān)測射流運動行為和微納結構形貌，將模擬信號轉換為數字信號傳遞給控制計算機，以便控制計算機根據得到的數據由控制算法給出電壓控制信號以及收集板運動速度控制信號；控制計算機的輸出端連接運動平臺和數控直流高壓電源，以調整平臺移動速度以及施加電壓值。數控直流高壓電源正極與噴頭相連，負極接地，提供直寫所需電場，高壓電源的通訊接口與控制計算機相連，執(zhí)行輸出的控制命令，提供可控的直流電壓。

所述電紡直寫閉環(huán)控制方法包括以下步驟：