工程科学学报，第41卷，第5期：652-661,2019年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.5:652-661,May 2019 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.012;htp:/journals.usth.edu.cm 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 赵佳伟)，兰红波)区，杨昆”，彭子龙”，李涤尘2) 1)青岛理工大学青岛市3D打印工程研究中心，青岛266033 2)西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049 区通信作者，E-mail:hblan99@126.com 摘要针对传统熔融沉积成型面临的成型精度低和打印材料受限，基于电流体动力熔融沉积在成形高度、材料种类、基板 导电性和平整性，3D成形能力等方面的不足和局限性，本研究提出一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印新工艺，其采用双加 热集成式喷头并施加单极脉冲高电压（单电势），利用电场驱动微量热熔融材料喷射并精准沉积来形成高分辨率结构.引入 两种新的打印模式：脉冲锥射流模式和连续锥射流模式，拓展了可供打印材料的种类和范围.通过理论分析、数值模拟和实验 研究，揭示了所提出工艺的成形机理、作用机制以及成形规律.利用提出的电场驱动熔融喷射沉积3D打印方法，结合优化工 艺参数，完成了三个典型工程案例，即大尺寸微尺度模具、大高宽比微结构、宏微跨尺度组织支架和网格三维结构.其中采用 内径250μm喷头，打印出最小线宽4μm线栅结构，高宽比达到25：1薄壁圆环微结构.结果表明，电场驱动熔融喷射沉积高分 辨率3D打印具有打印分辨率高、材料普适性广、宏/微跨尺度的突出优势，为实现低成本、高分辨率熔融沉积3D打印提供了 一种全新的解决方案. 关键词高分辨3D打印：电场驱动喷射：双加热喷头：熔融沉积成型：微纳增材制造 分类号TH164 High-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jet ZHAO Jia-wei),LAN Hong-bo,YANG Kun),PENG Zi-long),LI Di-chen2) 1)Qindao Engineering Research Center for 3D Printing,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China 2)State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China Corresponding author,E-mail:hblan99@126.com ABSTRACT The existing fused deposition modeling FDM)technique faces disadvantages of low resolution and limited printable materials;meanwhile the E-jet-based fused deposition method confronts limitations associated with the formation height,material type, conductivity,and flatness of the substrate,and the 3D forming ability.Herein,a new technology called electric-field-driven fused-jet deposition 3D printing was proposed.In the proposed technology.a dual-heated integrated nozzle connected to a single positive-pulse high voltage single potential)was used to eject and precisely deposit a small amount of molten material to form a high-resolution struc- ture based on the drive of the electric field force.Two novel printing modes,the continuous-cone and pulse-cone jet modes,were developed to broaden the range of printable materials using the proposed technique.The mechanism and rules of formation for the pro- posed process were systematically investigated via theoretical analysis,numerical simulation,and experimental verification.Using opti- mized process parameters and the proposed electric-field-driven fused-jet deposition 3D printing method,three typical cases,including a large micro-scale mold,a high-aspect-ratio micros-scale structure,a macro-micro-scale tissue scaffold,and a three-dimensional grid structure were fabricated.Outstanding results were obtained,including the printing of a wire grid structure with a minimum line width of 4 pm and a thin-walled ring microstructure with an aspect ratio of 25:1 using a nozzle with an inner diameter of 250 um.The experi- mental results demonstrate that the proposed electric-field-driven fused-jet-deposition 3D printing method is a promising and effective 收稿日期：2018-07-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51775288,51875300)：山东省重点研发计划资助项目(2018GGX103022)
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期:652鄄鄄661,2019 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 5: 652鄄鄄661, May 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 05. 012; http: / / journals. ustb. edu. cn 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 赵佳伟1) , 兰红波1)苣 , 杨 昆1) , 彭子龙1) , 李涤尘2) 1)青岛理工大学青岛市 3D 打印工程研究中心, 青岛 266033 2)西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 西安 710049 苣通信作者, E鄄mail: hblan99@ 126. com 摘 要 针对传统熔融沉积成型面临的成型精度低和打印材料受限,基于电流体动力熔融沉积在成形高度、材料种类、基板 导电性和平整性、3D 成形能力等方面的不足和局限性,本研究提出一种电场驱动熔融喷射沉积 3D 打印新工艺,其采用双加 热集成式喷头并施加单极脉冲高电压(单电势),利用电场驱动微量热熔融材料喷射并精准沉积来形成高分辨率结构. 引入 两种新的打印模式:脉冲锥射流模式和连续锥射流模式,拓展了可供打印材料的种类和范围. 通过理论分析、数值模拟和实验 研究,揭示了所提出工艺的成形机理、作用机制以及成形规律. 利用提出的电场驱动熔融喷射沉积 3D 打印方法,结合优化工 艺参数,完成了三个典型工程案例,即大尺寸微尺度模具、大高宽比微结构、宏微跨尺度组织支架和网格三维结构. 其中采用 内径 250 滋m 喷头,打印出最小线宽 4 滋m 线栅结构,高宽比达到 25颐 1薄壁圆环微结构. 结果表明,电场驱动熔融喷射沉积高分 辨率 3D 打印具有打印分辨率高、材料普适性广、宏/ 微跨尺度的突出优势,为实现低成本、高分辨率熔融沉积 3D 打印提供了 一种全新的解决方案. 关键词 高分辨 3D 打印; 电场驱动喷射; 双加热喷头; 熔融沉积成型; 微纳增材制造 分类号 TH164 收稿日期: 2018鄄鄄07鄄鄄11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51775288, 51875300); 山东省重点研发计划资助项目(2018GGX103022) High鄄resolution fused deposition 3D printing based on electric鄄field鄄driven jet ZHAO Jia鄄wei 1) , LAN Hong鄄bo 1)苣 , YANG Kun 1) , PENG Zi鄄long 1) , LI Di鄄chen 2) 1) Qindao Engineering Research Center for 3D Printing,Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China 2) State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi蒺an Jiaotong University, Xi蒺an 710049, China 苣Corresponding author, E鄄mail:hblan99@ 126. com ABSTRACT The existing fused deposition modeling (FDM) technique faces disadvantages of low resolution and limited printable materials; meanwhile the E鄄jet鄄based fused deposition method confronts limitations associated with the formation height, material type, conductivity, and flatness of the substrate,and the 3D forming ability. Herein, a new technology called electric鄄field鄄driven fused鄄jet deposition 3D printing was proposed. In the proposed technology, a dual鄄heated integrated nozzle connected to a single positive鄄pulse high voltage (single potential) was used to eject and precisely deposit a small amount of molten material to form a high鄄resolution struc鄄 ture based on the drive of the electric field force. Two novel printing modes, the continuous鄄cone and pulse鄄cone jet modes, were developed to broaden the range of printable materials using the proposed technique. The mechanism and rules of formation for the pro鄄 posed process were systematically investigated via theoretical analysis, numerical simulation, and experimental verification. Using opti鄄 mized process parameters and the proposed electric鄄field鄄driven fused鄄jet deposition 3D printing method, three typical cases, including a large micro鄄scale mold, a high鄄aspect鄄ratio micros鄄scale structure, a macro鄄鄄micro鄄scale tissue scaffold, and a three鄄dimensional grid structure were fabricated. Outstanding results were obtained, including the printing of a wire grid structure with a minimum line width of 4 滋m and a thin鄄walled ring microstructure with an aspect ratio of 25颐 1 using a nozzle with an inner diameter of 250 滋m. The experi鄄 mental results demonstrate that the proposed electric鄄field鄄driven fused鄄jet鄄deposition 3D printing method is a promising and effective
赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 ·653· method that meets the requirements of the high-resolution FDM process at low cost.The new technolgy proposed in this paper offers a novel solution for realizing high-resolution and macro/micro-scale fused-jet deposition 3D printing at low cost with good material univer- sality KEY WORDS high-resolution 3D printing;electric-field-driven jetting;double heating nozzle;fused deposition modeling;micro/ nano-additive manufacturing 增材制造（亦称为3D打印）技术是20世纪80 如喷头和基板（打印床）的高度一般不超过5mm 年代中期发展起来的一种新型制造技术，受到工业 (否则难以形成稳定的锥射流)，因此打印件的成 界的极大关注.美国麦肯锡咨询公司发布的“展望 形高度通常被限定在5mm以内，而且对基板（或者 2025”报告中将3D打印列入决定未来经济发展的 已成形结构)平整性和导电性等有许多的限制，难 12大颠覆性技术之一.英国《经济学人》认为它将 以实现共形和曲面3D打印.因此，尽管基于EHD “与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业 的熔融沉积成型能够实现高分辨打印，但是在3D 革命”.熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, 结构成形方面还面临诸多具有挑战性的且亟待突 FDM)是一种基于材料挤出的3D打印工艺，FDM具 破的技术难题[9-12] 有材料利用率高、成本低、工艺简单、清洁生产等显 传统熔融沉积成型工艺成形精度低、打印材料 著特点和优势，它是目前应用和普及最为广泛的一 受限：基于EHD的熔融沉积成型工艺难以实现三维 种3D打印工艺，FDM已经在航空航天、家电、汽车、 和大尺寸构件的制造.为了解决这些问题，迫切需 生物医疗、模具、教育、文化等诸多领域得到非常广 要开发新型熔融沉积成型高分辨率3D打印技术， 泛的应用-).但是，现有的DM技术还面临许多 实现熔融沉积高分辨率、低成本，大尺寸3D制造. 挑战性难题：打印精度低，表面质量差、可打印材料 1电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 种类有限.全球领先的FDM设备提供商美国Strata- 基本原理和打印模式 sys公司最先进的Fortus90OMC3D打印机目前能达 到的精度为±0.O89mm.FDM加工精度的进一步提 1.1基本原理 高受到分层厚度、打印喷嘴尺寸、材料性能、设备精 本文提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 度等诸多因素的影响和制约4-).理论上，采用更小 3D打印新工艺，如图1所示.该工艺的基本成形原 的喷嘴尺寸，能够实现更高分辨率打印，但是已有的 理和工作过程：(1)打印材料在储料筒内预加热（料 研究结果证实，随着喷嘴内径尺寸减小，喷嘴内的压 筒加热器)，加热到熔融态（根据打印材料的熔点， 力呈指数型增加，需要克服非常大的熔滴表面张力 设定工作温度，开启储料筒环形加热器加热，直至储 和黏滞力，对于高黏度熔融材料的挤出更为困难，尤 料筒内打印材料处于完全熔融状，并根据热电偶检 其当喷嘴尺寸小于100um,传统气压/螺杆型FDM 测结果，一旦达到设定的温度，便使储料筒环形加热 工艺几乎无法实现挤出成型. 器由加热模式转换为保温模式，维持储料筒内打印 电流体动力(Electrohydrodynamics,EHD)喷射 材料的温度，使材料保持熔融态)：(2)利用所施加 打印是近年出现的一种高分辨率喷射沉积成型技 的背压（气压或者螺杆挤出压力等）将熔融态打印 术（微纳尺度打印工艺），其打印分辨率不受喷嘴 材料挤压到喷嘴，通过精确控制喷嘴处温度（喷嘴 尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现微 加热器)使材料从熔融态变为易喷射打印状态，打 尺度、亚微尺度、甚至纳米尺度结构的制造，而且 印材料在背压和表面张力等作用下从喷嘴末端（针 可用于制造的材料种类非常广泛[6-8].基于EHD 头针尖)挤出并呈弯液面形状（半球形）：(3)开启高 的熔融沉积成形主要有两种工艺：（近场）静电纺 压脉冲电源，导电喷嘴与高压电源正极连接，喷嘴内 丝直写、热熔融电喷印.（近场）静电纺丝直写工 的材料被极化，表面带有正电荷，导电喷嘴靠近基板 艺使用高压直流电源，基于纤维（连续微细丝）成 时（导电和非导电基材均能使用），由于喷嘴与基板 型，但是静电纺丝直写成型是基于不稳定“鞭动效之间的静电感应作用，导致基板电荷重新分布，负电 应”，工艺可控性差，难以实现三维结构可控制造. 荷分布在基板上表面，正电荷分布在基板的下表面， 热熔融电喷印通常采用高压脉冲电源，基于按需 因此在喷嘴处的材料与基板之间形成电场：(4)弯 喷射微熔滴喷射成型，工艺可控性好.但是现有的 液面在电场力、黏滞力、表面张力等共同作用下被逐 热熔融电喷印工艺存在诸多的不足和局限性，例 渐拉伸变形，形成泰勒锥，随着施加在喷嘴上电压的
赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 method that meets the requirements of the high鄄resolution FDM process at low cost. The new technolgy proposed in this paper offers a novel solution for realizing high鄄resolution and macro / micro鄄scale fused鄄jet deposition 3D printing at low cost with good material univer鄄 sality. KEY WORDS high鄄resolution 3D printing; electric鄄field鄄driven jetting; double heating nozzle; fused deposition modeling; micro / nano鄄additive manufacturing 增材制造(亦称为 3D 打印)技术是 20 世纪 80 年代中期发展起来的一种新型制造技术,受到工业 界的极大关注. 美国麦肯锡咨询公司发布的“展望 2025冶报告中将 3D 打印列入决定未来经济发展的 12 大颠覆性技术之一. 英国《经济学人》认为它将 “与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业 革命冶. 熔融沉积成型( Fused Deposition Modeling, FDM)是一种基于材料挤出的 3D 打印工艺,FDM 具 有材料利用率高、成本低、工艺简单、清洁生产等显 著特点和优势,它是目前应用和普及最为广泛的一 种 3D 打印工艺,FDM 已经在航空航天、家电、汽车、 生物医疗、模具、教育、文化等诸多领域得到非常广 泛的应用[1鄄鄄3] . 但是,现有的 FDM 技术还面临许多 挑战性难题:打印精度低,表面质量差、可打印材料 种类有限. 全球领先的 FDM 设备提供商美国 Strata鄄 sys 公司最先进的 Fortus 900MC 3D 打印机目前能达 到的精度为 依 0郾 089 mm. FDM 加工精度的进一步提 高受到分层厚度、打印喷嘴尺寸、材料性能、设备精 度等诸多因素的影响和制约[4鄄鄄5] . 理论上,采用更小 的喷嘴尺寸,能够实现更高分辨率打印,但是已有的 研究结果证实,随着喷嘴内径尺寸减小,喷嘴内的压 力呈指数型增加,需要克服非常大的熔滴表面张力 和黏滞力,对于高黏度熔融材料的挤出更为困难,尤 其当喷嘴尺寸小于 100 滋m,传统气压/ 螺杆型 FDM 工艺几乎无法实现挤出成型. 电流体动力(Electrohydrodynamics,EHD) 喷射 打印是近年出现的一种高分辨率喷射沉积成型技 术(微纳尺度打印工艺) ,其打印分辨率不受喷嘴 尺寸的限制,能在喷嘴不易堵塞的前提下,实现微 尺度、亚微尺度、甚至纳米尺度结构的制造,而且 可用于制造的材料种类非常广泛[6鄄鄄8] . 基于 EHD 的熔融沉积成形主要有两种工艺:(近场) 静电纺 丝直写、热熔融电喷印. ( 近场) 静电纺丝直写工 艺使用高压直流电源,基于纤维(连续微细丝) 成 型,但是静电纺丝直写成型是基于不稳定“鞭动效 应冶 ,工艺可控性差,难以实现三维结构可控制造. 热熔融电喷印通常采用高压脉冲电源,基于按需 喷射微熔滴喷射成型,工艺可控性好. 但是现有的 热熔融电喷印工艺存在诸多的不足和局限性,例 如喷头和基板( 打印床) 的高度一般不超过 5 mm (否则难以形成稳定的锥射流) ,因此打印件的成 形高度通常被限定在5 mm以内,而且对基板(或者 已成形结构)平整性和导电性等有许多的限制,难 以实现共形和曲面 3D 打印. 因此,尽管基于 EHD 的熔融沉积成型能够实现高分辨打印,但是在 3D 结构成形方面还面临诸多具有挑战性的且亟待突 破的技术难题[9鄄鄄12] . 传统熔融沉积成型工艺成形精度低、打印材料 受限;基于 EHD 的熔融沉积成型工艺难以实现三维 和大尺寸构件的制造. 为了解决这些问题,迫切需 要开发新型熔融沉积成型高分辨率 3D 打印技术, 实现熔融沉积高分辨率、低成本,大尺寸 3D 制造. 1 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D 打印 基本原理和打印模式 1郾 1 基本原理 本文提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印新工艺,如图 1 所示. 该工艺的基本成形原 理和工作过程:(1)打印材料在储料筒内预加热(料 筒加热器),加热到熔融态(根据打印材料的熔点, 设定工作温度,开启储料筒环形加热器加热,直至储 料筒内打印材料处于完全熔融状,并根据热电偶检 测结果,一旦达到设定的温度,便使储料筒环形加热 器由加热模式转换为保温模式,维持储料筒内打印 材料的温度,使材料保持熔融态);(2)利用所施加 的背压(气压或者螺杆挤出压力等)将熔融态打印 材料挤压到喷嘴,通过精确控制喷嘴处温度(喷嘴 加热器)使材料从熔融态变为易喷射打印状态,打 印材料在背压和表面张力等作用下从喷嘴末端(针 头针尖)挤出并呈弯液面形状(半球形);(3)开启高 压脉冲电源,导电喷嘴与高压电源正极连接,喷嘴内 的材料被极化,表面带有正电荷,导电喷嘴靠近基板 时(导电和非导电基材均能使用),由于喷嘴与基板 之间的静电感应作用,导致基板电荷重新分布,负电 荷分布在基板上表面,正电荷分布在基板的下表面, 因此在喷嘴处的材料与基板之间形成电场;(4) 弯 液面在电场力、黏滞力、表面张力等共同作用下被逐 渐拉伸变形,形成泰勒锥,随着施加在喷嘴上电压的 ·653·
.654. 工程科学学报，第41卷，第5期 增大，微熔滴外表面的电荷不断聚集，当静电力（电 电压、喷嘴与基板高度等工艺参数的控制，喷射的微 场力)超过微熔滴的表面张力时，带有正电荷的熔 熔滴/微细纤维在基板上精准沉积（根据CAD模 体从泰勒锥顶部喷射出来，形成极细的锥射流，分裂 型)，高分辨率打印出特征结构.一层截面打印完成 成微熔滴/或者连续微细纤维沉积在基板上或者已 后，打印喷头上升设定的分层高度，以已完成实体表 经成型结构上（锥射流直径通常比喷嘴内径尺寸小 面为目标打印位置，再进行下一层截面的打印，逐层 1~2个数量级)，并通过加热/紫外等方式固化成型 打印叠加，最后完成整个三维实体高分辨率快速 结构：(5)结合工作台移动速度、打印频率、占空比、 制造 电压 压缩空气 精密调压阀 时间 施加脉冲高压电 环形加热器 时间 施加直流高压电 喷端加热器2 高压电源 打印基材 图1电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印系统基本原理示意图 Fig.1 Diagram of the basic principles of high-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jetting system 1.2打印模式 维成型（与传统FDM原理类似）.此外，当连续微细 不同于现有的热熔融3D打印技术，提出的电 纤维/丝沉积到打印床（或者已成形结构）后，随着 场驱动熔融喷射高分辨率3D打印技术突破了打印 喷头的快速移动，对打印材料产生黏性拖拽力能，使 材料的限制，既能打印高黏度热熔融材料，如PCL、 微细纤维进一步拉伸变细，能够进一步提高打印分 ABS、PMMA等，也可以打印低黏度热熔融材料，如 辨率，如图2(b).此外，采用一种双加热集成式喷 石蜡等.尤其能实现颗粒状、粉末状、微纳米材料等 头，通过对储料筒和喷嘴加热温度精准调控，能够解 多种不同类型材料的打印，不需要提前加工成需要 决熔融材料打印喷头易堵、打印稳定性和连续性差、 的形状（简化成型材料制造工艺和降低制造成本）， 喷头温度精准调节困难等难题. 扩大了可供打印材料的种类和范围.根据不同打印 脉冲锥射流模式下，施加脉冲高压电源，通过控 材料性能和制件要求，提出两种全新的打印模式：脉 制单个脉冲电压作用时间控制单液滴的喷射频率。 冲锥射流模式(pulsed cone-jet mode)和连续锥射流 在该模式下，通过调节打印频率、占空比、电压、打印 模式(continuous cone-jet mode).在实际打印过程 高度等工艺参数，可实现精准微熔滴按需喷印，同 中，根据打印材料黏度、表面张力和物理性能的不时，结合打印平台的控制，实现微熔滴在基板精准沉 同，分别采用不同的打印模式。对于低黏度热塑性积，基于逐点成形实现3D打印：连续锥射流模式 材料，采用脉冲锥射流模式打印；高黏度热塑性材 下，施加直流高压电源，为打印熔体提供持续稳定的 料，采用连续锥射流模式打印.两种打印模式基于 电场力，确保射流连续喷射，结合控制背压、电压以 完全不同的成型原理，对于脉冲锥射流模式，喷射出 及平台移动速度等工艺参数，以及黏性拖拽力进一 微熔滴，通过逐点成形三维结构，如图2(a).对于 步减小微细纤维的尺寸效应，实现更高分辨率图案 连续锥射流打印模式，形成连续锥射流，通过微细纤 的连续稳定的3D打印
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 增大,微熔滴外表面的电荷不断聚集,当静电力(电 场力)超过微熔滴的表面张力时,带有正电荷的熔 体从泰勒锥顶部喷射出来,形成极细的锥射流,分裂 成微熔滴/ 或者连续微细纤维沉积在基板上或者已 经成型结构上(锥射流直径通常比喷嘴内径尺寸小 1 ~ 2 个数量级),并通过加热/ 紫外等方式固化成型 结构;(5)结合工作台移动速度、打印频率、占空比、 电压、喷嘴与基板高度等工艺参数的控制,喷射的微 熔滴/ 微细纤维在基板上精准沉积( 根据 CAD 模 型),高分辨率打印出特征结构. 一层截面打印完成 后,打印喷头上升设定的分层高度,以已完成实体表 面为目标打印位置,再进行下一层截面的打印,逐层 打印叠加,最后完成整个三维实体高分辨率快速 制造. 图 1 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印系统基本原理示意图 Fig. 1 Diagram of the basic principles of high鄄resolution fused deposition 3D printing based on electric鄄field鄄driven jetting system 1郾 2 打印模式 不同于现有的热熔融 3D 打印技术,提出的电 场驱动熔融喷射高分辨率 3D 打印技术突破了打印 材料的限制,既能打印高黏度热熔融材料,如 PCL、 ABS、PMMA 等,也可以打印低黏度热熔融材料,如 石蜡等. 尤其能实现颗粒状、粉末状、微纳米材料等 多种不同类型材料的打印,不需要提前加工成需要 的形状(简化成型材料制造工艺和降低制造成本), 扩大了可供打印材料的种类和范围. 根据不同打印 材料性能和制件要求,提出两种全新的打印模式:脉 冲锥射流模式(pulsed cone鄄jet mode)和连续锥射流 模式( continuous cone鄄jet mode). 在实际打印过程 中,根据打印材料黏度、表面张力和物理性能的不 同,分别采用不同的打印模式. 对于低黏度热塑性 材料,采用脉冲锥射流模式打印;高黏度热塑性材 料,采用连续锥射流模式打印. 两种打印模式基于 完全不同的成型原理,对于脉冲锥射流模式,喷射出 微熔滴,通过逐点成形三维结构,如图 2( a). 对于 连续锥射流打印模式,形成连续锥射流,通过微细纤 维成型(与传统 FDM 原理类似). 此外,当连续微细 纤维/ 丝沉积到打印床(或者已成形结构) 后,随着 喷头的快速移动,对打印材料产生黏性拖拽力能,使 微细纤维进一步拉伸变细,能够进一步提高打印分 辨率,如图 2( b). 此外,采用一种双加热集成式喷 头,通过对储料筒和喷嘴加热温度精准调控,能够解 决熔融材料打印喷头易堵、打印稳定性和连续性差、 喷头温度精准调节困难等难题. 脉冲锥射流模式下,施加脉冲高压电源,通过控 制单个脉冲电压作用时间控制单液滴的喷射频率. 在该模式下,通过调节打印频率、占空比、电压、打印 高度等工艺参数,可实现精准微熔滴按需喷印,同 时,结合打印平台的控制,实现微熔滴在基板精准沉 积,基于逐点成形实现 3D 打印;连续锥射流模式 下,施加直流高压电源,为打印熔体提供持续稳定的 电场力,确保射流连续喷射,结合控制背压、电压以 及平台移动速度等工艺参数,以及黏性拖拽力进一 步减小微细纤维的尺寸效应,实现更高分辨率图案 的连续稳定的 3D 打印. ·654·
赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 .655. 气压 表面张力 表面张力 黏滞力 田黏滞力 ★⊕极化电场力 ⊕ 极化电场力 法向电场 法相电场 向电场力 切向电场力 电场方向 电场方向 ● 黏性拖拽力 88888888888品品88888品88 8绵88888888888888888888 运动方向〉 运动方向今 (a b 图2脉冲锥射流和连续锥射流两种打印模式成形原理和受力状态示意图.()脉冲锥射流模：(b)连续锥射流模 Fig.2 Diagram of the formation principle and force state of the pulsed-cone and continuous-cone jet printing modes:(a)pulsed cone-jet mode;(b) continuous cone-jet mode 不同于传统电流体动力喷射打印，需要两个电 ICS)模拟喷嘴周围电场分布和强度、熔体加热温度 极对，即导电喷嘴与高压电源正极相连，导电基板与 变化，更深入揭示电场驱动热熔融喷射高分辨率3D 高压电源负极相连.电场驱动喷射沉积3D打印只 打印的作用机制和成型机理. 需导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，不再需要接 打印基板为绝缘玻璃，喷嘴为金属导电喷嘴，喷 地的基板作为对电极，通过静电感应作用形成锥射 嘴内径200μm,打印高度500um,施加电压2000V, 流所需要的稳定电场（自激发静电场），并结合提出 喷嘴与打印基板之间电场分布和强度如图3(a)所 的两种全新打印模式，实现电场驱动熔融喷射沉积 示.在喷嘴处施加正极高压，打印基板不连接负极， 高分辨率3D打印.作为一种基于单电势自激发电 由喷嘴产生的电场线向四周发散并穿过玻璃基板表 场驱动熔融喷射沉积3D打印工艺，其突破了传统 面.在正极高压作用下，熔滴内部电荷发生定向移 的电流体动力喷射打印对于成形高度、材料种类、基 动，正电荷集聚于熔滴表面，使得微熔滴表面电势明 板导电性和平整性等要求和限制，尤其是能够实现 显高于其他位置：玻璃基底受上方正极高压的影响， 大尺寸构件和共形/曲面3D打印.此外，该技术在 发生静电感应，玻璃表面电荷排列重组，负电荷向针 实现宏/微跨尺度结构一体化打印方面还具有独特 尖下方区域移动，并在此区域集聚，与针尖之间产生 的优势 电势差，从而形成喷射电场.熔滴距离打印基板距 离最小，且熔滴表面与打印基板之间电势差最大，电 2数值模拟 场强度最高，这为熔滴在电场中发生剪切变形并最 利用有限元仿真软件(COMSOL MULTIPHYS- 终形成泰勒锥提供了必要条件 表面：电场模10的V·m少面箭头：电场 温度K 14 380 1.2 75 08 370 0.6 365 0.4 360 0.2 355 (a) b 图3电场驱动热熔融喷射沉积高分辨率3D打印电场和温度场仿真图.()电场分布和强度：(b)温度变化 Fig.3 Simulation of electric and temperature fields of high-resolution fused deposition 3D printing:(a)electric field distribution and strength;(b) temperature change
赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 图 2 脉冲锥射流和连续锥射流两种打印模式成形原理和受力状态示意图. (a) 脉冲锥射流模; (b) 连续锥射流模 Fig. 2 Diagram of the formation principle and force state of the pulsed鄄cone and continuous鄄cone jet printing modes: (a) pulsed cone鄄jet mode; (b) continuous cone鄄jet mode 不同于传统电流体动力喷射打印,需要两个电 极对,即导电喷嘴与高压电源正极相连,导电基板与 高压电源负极相连. 电场驱动喷射沉积 3D 打印只 需导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连,不再需要接 地的基板作为对电极,通过静电感应作用形成锥射 流所需要的稳定电场(自激发静电场),并结合提出 的两种全新打印模式,实现电场驱动熔融喷射沉积 高分辨率 3D 打印. 作为一种基于单电势自激发电 场驱动熔融喷射沉积 3D 打印工艺,其突破了传统 的电流体动力喷射打印对于成形高度、材料种类、基 板导电性和平整性等要求和限制,尤其是能够实现 大尺寸构件和共形/ 曲面 3D 打印. 此外,该技术在 实现宏/ 微跨尺度结构一体化打印方面还具有独特 的优势. 图 3 电场驱动热熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印电场和温度场仿真图. (a) 电场分布和强度; (b) 温度变化 Fig. 3 Simulation of electric and temperature fields of high鄄resolution fused deposition 3D printing: (a) electric field distribution and strength; (b) temperature change 2 数值模拟 利用有限元仿真软件( COMSOL MULTIPHYS鄄 ICS)模拟喷嘴周围电场分布和强度、熔体加热温度 变化,更深入揭示电场驱动热熔融喷射高分辨率 3D 打印的作用机制和成型机理. 打印基板为绝缘玻璃,喷嘴为金属导电喷嘴,喷 嘴内径 200 滋m,打印高度 500 滋m,施加电压 2000 V, 喷嘴与打印基板之间电场分布和强度如图 3(a)所 示. 在喷嘴处施加正极高压,打印基板不连接负极, 由喷嘴产生的电场线向四周发散并穿过玻璃基板表 面. 在正极高压作用下,熔滴内部电荷发生定向移 动,正电荷集聚于熔滴表面,使得微熔滴表面电势明 显高于其他位置;玻璃基底受上方正极高压的影响, 发生静电感应,玻璃表面电荷排列重组,负电荷向针 尖下方区域移动,并在此区域集聚,与针尖之间产生 电势差,从而形成喷射电场. 熔滴距离打印基板距 离最小,且熔滴表面与打印基板之间电势差最大,电 场强度最高,这为熔滴在电场中发生剪切变形并最 终形成泰勒锥提供了必要条件. ·655·
656. 工程科学学报，第41卷，第5期 对双加热模块一体化控制（温度）集成喷头进 的材料性能参数如表1. 行热场分析，设置环形加热器温度为80℃，喷嘴加 表1聚己内酯(P℃L)材料性能参数 热器为110℃，打印材料熔体在加热喷头中温度分 Table 1 Performance parameters of polycaprolactone (PCL)material 布如图3(b)所示.环形加热器及喷嘴加热器设置 性能参数 数值 不同的加热温度，环形加热器对打印材料进行预加 分子量 40000 热，加热温度略低于喷嘴加热器.当加热稳定后，喷 密度(25℃)/(gml1) 1.146 嘴温度明显高于料筒温度，且呈梯度递增，这就使得 熔点/℃ 59-64 材料在喷头内逐步加热，最终达到所需打印温度 熔融黏度/(dL·g1) 11.25 这样有利于更好的控制打印材料在喷嘴处的温度， 熔融指数范围（每10mim)/g 7.328 进而稳定调控打印材料因加热温度波动而造成的黏 度变化.因此，双加热模块一体化控制（温度）集成 当采用传统热熔融电纺丝工艺打印PCL材料 喷头更有利于提高打印精度、质量和可控性. 时，通常将PCL制成溶液，且加热温度通常需要达 到240℃，而P℃L材料的分解温度为200℃，因此纺 3实验研究 丝温度高于分解温度，导致打印时出现高温分解，纺 3.1实验装置 出的细丝呈土黄色，出现相互黏结现象.如果在 搭建电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 200℃时打印，由于此时PCL熔体的黏度非常高，即 实验装置，通过具体实验，证明所提出的3D打印工 使提高打印电压，减小打印距离（当电压过高且接 艺和工作模式的正确性和有效性，并揭示主要工艺 收距离过小时，空气将被击穿放电)，也难以打印出 参数对于3D打印的影响及其规律.实验装置如图 较为细小光滑的PCL微纳米纤维.此外，电纺丝要 4所示，它包括的主要功能单位：打印喷头模块、运 求基底为导电材料作为另外一个电极对.对于 动模块、打印平台模块、高压脉冲电源模块、背压控 P℃L,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印技术 制模块、观测模块（高速摄像机）等.其中运动模块 的打印温度远低于电纺丝温度.但材料处于初步熔 包含X、Y、Z三轴运动平台，打印平台为带有加热功 化状态时，在打印过程中，喷嘴处熔体易固化，造成 能的真空吸附盘，打印喷头模块包括环形加热器、喷 喷嘴堵塞，因此打印温度一般在80~120℃之间. 嘴（针头）加热块、储料筒、打印喷嘴（针头）、喷嘴热 实验3D打印石蜡材料性能参数如表2.石蜡 电偶、储料筒热电偶、金属适配器以及温控系统，导 材料熔点较低，且熔融态的石蜡熔体黏度非常低，与 电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，温控系统包括两 PCL材料黏度相差非常大. 个温控器，分别控制环形加热器和喷嘴加热块.其 表2石蜡(80号微品蜡)材料性能参数 中喷嘴加热器置于最下端，用于加热喷嘴，在其中设 Table 2 Performance parameters of paraffin wax (80 microcrystalline 置喷嘴热电偶，喷嘴（打印针头）与储料筒相连接， wax） 打印材料置于储料筒内部，环形加热器置于储料筒 性能参数 数据 外部且包裹在储料筒外壁上.利用观测模块观察和 分子量 650 记录实际打印过程. 密度/(gmL1) 0.80-0.92 熔点/℃ 72~82 运动模块 熔融黏度/(mm2·sl) 10~20 喷头模块 控制柜 熔融指数范围 高速摄像机 高压电源 3.3喷嘴处熔滴动态变化和演化过程 利用高速摄像机(iSpeed-.221),实时观测电场 图4电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印实验装置照片 驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印具体实现过 Fig.4 Experimental setup of high-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jetting 程.图5分别给出了打印PCL和石蜡材料时，喷嘴 口处熔滴形状动态变化、演化和喷射的过程 3.2打印材料 5(a)、(b)、(c)为打印P℃L材料（连续锥射流 分别选取高黏度的聚己内酯(PCL)和低黏度的 模式)，(d)、(e)、(f)为打印石蜡材料（脉冲锥射 石蜡(80号微晶蜡)作为典型的打印实验材料.PCL 流模式).当施加一定的背压后，在喷嘴口处形成
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 对双加热模块一体化控制(温度) 集成喷头进 行热场分析,设置环形加热器温度为 80 益 ,喷嘴加 热器为 110 益 ,打印材料熔体在加热喷头中温度分 布如图 3(b)所示. 环形加热器及喷嘴加热器设置 不同的加热温度,环形加热器对打印材料进行预加 热,加热温度略低于喷嘴加热器. 当加热稳定后,喷 嘴温度明显高于料筒温度,且呈梯度递增,这就使得 材料在喷头内逐步加热,最终达到所需打印温度. 这样有利于更好的控制打印材料在喷嘴处的温度, 进而稳定调控打印材料因加热温度波动而造成的黏 度变化. 因此,双加热模块一体化控制(温度)集成 喷头更有利于提高打印精度、质量和可控性. 3 实验研究 3郾 1 实验装置 搭建电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 实验装置,通过具体实验,证明所提出的 3D 打印工 艺和工作模式的正确性和有效性,并揭示主要工艺 参数对于 3D 打印的影响及其规律. 实验装置如图 4 所示,它包括的主要功能单位:打印喷头模块、运 动模块、打印平台模块、高压脉冲电源模块、背压控 制模块、观测模块(高速摄像机)等. 其中运动模块 包含 X、Y、Z 三轴运动平台,打印平台为带有加热功 能的真空吸附盘,打印喷头模块包括环形加热器、喷 嘴(针头)加热块、储料筒、打印喷嘴(针头)、喷嘴热 电偶、储料筒热电偶、金属适配器以及温控系统,导 电喷嘴与高压脉冲电源正极相连,温控系统包括两 个温控器,分别控制环形加热器和喷嘴加热块. 其 中喷嘴加热器置于最下端,用于加热喷嘴,在其中设 置喷嘴热电偶,喷嘴(打印针头) 与储料筒相连接, 打印材料置于储料筒内部,环形加热器置于储料筒 外部且包裹在储料筒外壁上. 利用观测模块观察和 记录实际打印过程. 图 4 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印实验装置照片 Fig. 4 Experimental setup of high鄄resolution fused deposition 3D printing based on electric鄄field鄄driven jetting 3郾 2 打印材料 分别选取高黏度的聚己内酯(PCL)和低黏度的 石蜡(80 号微晶蜡)作为典型的打印实验材料. PCL 的材料性能参数如表 1. 表 1 聚己内酯(PCL)材料性能参数 Table 1 Performance parameters of polycaprolactone (PCL) material 性能参数 数值 分子量 40000 密度(25 益 ) / (g·mL - 1 ) 1郾 146 熔点/ 益 59 ~ 64 熔融黏度/ (dL·g - 1 ) 11郾 25 熔融指数范围(每 10 min) / g 7郾 3 ~ 28 当采用传统热熔融电纺丝工艺打印 PCL 材料 时,通常将 PCL 制成溶液,且加热温度通常需要达 到 240 益 ,而 PCL 材料的分解温度为 200 益 ,因此纺 丝温度高于分解温度,导致打印时出现高温分解,纺 出的细丝呈土黄色,出现相互黏结现象. 如果在 200 益时打印,由于此时 PCL 熔体的黏度非常高,即 使提高打印电压,减小打印距离(当电压过高且接 收距离过小时,空气将被击穿放电),也难以打印出 较为细小光滑的 PCL 微纳米纤维. 此外,电纺丝要 求基底为导电材料作为另外一个电极对. 对于 PCL,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印技术 的打印温度远低于电纺丝温度. 但材料处于初步熔 化状态时,在打印过程中,喷嘴处熔体易固化,造成 喷嘴堵塞,因此打印温度一般在 80 ~ 120 益之间. 实验 3D 打印石蜡材料性能参数如表 2. 石蜡 材料熔点较低,且熔融态的石蜡熔体黏度非常低,与 PCL 材料黏度相差非常大. 表 2 石蜡(80 号微晶蜡)材料性能参数 Table 2 Performance parameters of paraffin wax (80 microcrystalline wax) 性能参数 数据 分子量 650 密度/ (g·mL - 1 ) 0郾 80 ~ 0郾 92 熔点/ 益 72 ~ 82 熔融黏度/ (mm 2·s - 1 ) 10 ~ 20 熔融指数范围 3郾 3 喷嘴处熔滴动态变化和演化过程 利用高速摄像机( iSpeed鄄221),实时观测电场 驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印具体实现过 程. 图 5 分别给出了打印 PCL 和石蜡材料时,喷嘴 口处熔滴形状动态变化、演化和喷射的过程. 5( a) 、( b) 、( c)为打印 PCL 材料(连续锥射流 模式) ,( d) 、( e) 、( f) 为打印石蜡材料( 脉冲锥射 流模式) . 当施加一定的背压后,在喷嘴口处形成 ·656·
赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 ·657· 半球形微熔滴，如图5(a)和(d)所示：喷嘴施加高 料PCL具有较高黏度，且使用连续锥射流模式打 压电源后，在电场力作用下，熔滴形状从半球形被 印，所形成锥射流是连续的，打印材料呈微细丝状 拉伸成泰勒锥形，如图5(b)和(e)所示：随着电压 连续喷出：打印材料石蜡黏度较低，且使用脉冲锥 的进一步增大，当电场力超过表面张力和黏滞力， 射流模式打印，所形成的锥射流是点喷射，打印材 分别形成稳定的连续锥射流喷射（图5(c))和按 料呈微液滴形状冲喷出.实验观察到现象与理论 需喷射(DOD)脉冲锥射流打印（图5(）).打印材 分析完全吻合 c d e ( 图5喷嘴处熔滴动态演化和喷射示意图.(a~©)连续锥射流模式：(d~)脉冲锥射流模式 Fig.5 Images of dynamic evolution and injection of droplets at the nozzle:(a-c)continuous cone-jet mode;(d-f)pulsed cone-jet mode 3.4连续锥射流打印模式打印实验结果与分析 场力小于表面张力，无法形成喷射，随着电压的增 3.4.1电压 大，在某个电压下(1000V以下)可以突破表面张 电压是电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D 力，形成锥射流喷射，但由于喷射过程，使针尖处聚 打印最重要的工艺参数之一，实验打印参数：使用 集电荷随打印材料的喷射而损失，电荷补给速度不 内径250m武藏式针头，储料筒温度95℃，针头 足，针尖处熔体电场力不足，难以实现再次喷射，锥 温度100℃，针尖距离基板高度200μm,打印速度 射流消失，喷射过程停止.当电压范围为1200~ 10mms-1,施加电压1000~3000V,打印的线图案 2500V时，能够形成稳定的锥射流，实现稳定打印. 如图6所示.电压1000V时，打印呈现不连续：电压 但是，当电压过高（超过3000V)时，得锥射流尖端 1200~1800V之间，能实现连续稳定打印，但是打印 细丝在空中受电场影响而发生鞭动（或者摆动）效 的线宽尺寸略有不同：当电压达到3000V,打印线出 应，打印过程不稳定，难以实现精确可控的3D打 现摆动现象.其原因：当电压过低时，微熔滴所受电 印.因此，对于电场驱动熔融喷射沉积高分辨率打 50μm 1000V 1200V 1400V 1600V 1800V 3000V 图6电压对于打印线图案的影响和规律 Fig.6 Influence and rule of voltage for the print line pattern
赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 半球形微熔滴,如图 5( a)和( d)所示;喷嘴施加高 压电源后,在电场力作用下,熔滴形状从半球形被 拉伸成泰勒锥形,如图 5( b)和( e)所示;随着电压 的进一步增大,当电场力超过表面张力和黏滞力, 分别形成稳定的连续锥射流喷射(图 5 ( c) ) 和按 需喷射(DOD)脉冲锥射流打印(图 5( f) ) . 打印材 料 PCL 具有较高黏度,且使用连续锥射流模式打 印,所形成锥射流是连续的,打印材料呈微细丝状 连续喷出;打印材料石蜡黏度较低,且使用脉冲锥 射流模式打印,所形成的锥射流是点喷射,打印材 料呈微液滴形状冲喷出. 实验观察到现象与理论 分析完全吻合. 图 5 喷嘴处熔滴动态演化和喷射示意图. (a ~ c) 连续锥射流模式; (d ~ f) 脉冲锥射流模式 Fig. 5 Images of dynamic evolution and injection of droplets at the nozzle: (a - c) continuous cone鄄jet mode; (d - f) pulsed cone鄄jet mode 3郾 4 连续锥射流打印模式打印实验结果与分析 3郾 4郾 1 电压 图 6 电压对于打印线图案的影响和规律 Fig. 6 Influence and rule of voltage for the print line pattern 电压是电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印最重要的工艺参数之一. 实验打印参数:使用 内径 250 滋m 武藏式针头,储料筒温度 95 益 ,针头 温度 100 益 ,针尖距离基板高度 200 滋m,打印速度 10 mm·s - 1 ,施加电压 1000 ~ 3000 V,打印的线图案 如图 6 所示. 电压 1000 V 时,打印呈现不连续;电压 1200 ~ 1800 V 之间,能实现连续稳定打印,但是打印 的线宽尺寸略有不同;当电压达到 3000 V,打印线出 现摆动现象. 其原因:当电压过低时,微熔滴所受电 场力小于表面张力,无法形成喷射,随着电压的增 大,在某个电压下(1000 V 以下) 可以突破表面张 力,形成锥射流喷射,但由于喷射过程,使针尖处聚 集电荷随打印材料的喷射而损失,电荷补给速度不 足,针尖处熔体电场力不足,难以实现再次喷射,锥 射流消失,喷射过程停止. 当电压范围为 1200 ~ 2500 V 时,能够形成稳定的锥射流,实现稳定打印. 但是,当电压过高(超过 3000 V)时,得锥射流尖端 细丝在空中受电场影响而发生鞭动(或者摆动) 效 应,打印过程不稳定,难以实现精确可控的 3D 打 印. 因此,对于电场驱动熔融喷射沉积高分辨率打 ·657·
.658. 工程科学学报，第41卷，第5期 印，适用电压范围较宽，打印微细丝质量受电压升高 宽会相应减小.其原因是：打印材料沉积到基板上 影响较小，打印过程相对较为稳定 后，由于材料与基板的黏附作用，会对微细丝产生一 3.4.2打印速度 种拉力（黏性拖拽力），而黏性拖拽力会将微细丝拉 打印速度（工作台移动速度）对于打印图形线 伸，使细丝均匀变细，且微细丝由于韧性较好在一定 宽尺寸有着重要的影响.实验打印参数：使用内径 范围内不会因为打印速度的增加而断开.当打印速 250μm武藏式针头，储料筒温度95℃，针头温度度过低时，黏性拖拽力所导致的拉力作用较小，对于 100℃，针尖距离底板距离200μm,施加电压 线宽的影响较小.因此，随着打印速度的增大，由黏 1200V,打印速度分别0.5、1、5、10、20、30、40和 性拖拽力所导致的拉力逐渐增大，在确保其不被拉 50mms1,打印结果如图7，线宽测量工具为 断的前提下，线宽会随打印速度的增加而减小.通 OLYMPUS DSX510高精度光学显微镜.由打印的结 过多组对比试验，得出线宽随打印速度变化关系以 果可知，在打印工艺窗口内，随着打印速度增大，线 及相同打印速度下的线宽变化范围，如图8所示. 100um 0.5mms1mm·s5mms-110mms20mm·s30mms-40mm·s-J50mms- 图7工作台速度对于打印线图案的影响和规律 Fig.7 Influence and rule of stage speed for the print line pattern 素影响微熔滴尺寸.此外，通过脉冲波形与打印速 50 度相配合，能够实现图案化精确可控打印和按需喷 4 100 pm 射喷印 0 4案例研究 30 通过三个典型的实际打印案例，展示电场驱动 20 熔融喷射沉积高分辨率3D打印在大尺寸和高分辨 15 10 率3D打印方面的潜能，以及宏/微跨尺度结构一体 1001 化制造的显著优势 0510152025303540455055 4.1大尺寸微尺度模具 打印速度/(mm·g少 大尺寸微尺度模具是微纳米压印、软光刻等诸 图8线宽随打印速度变化规律 多领域最重要的工艺要素，然而如何实现大尺寸微 Fig.8 Variation of line width with printing speed 纳尺度模具的高效、低成本制造一直是学术界和产 3.5脉冲锥射流打印模式打印实验结果与分析 业界所面临的一项挑战性难题.传统的光学光刻等 使用脉冲锥射流打印模式打印80号微晶蜡，实 制造方法存在生产成本高、周期长的问题，尤其是目 验打印工艺参数：使用内径250um武藏式针头，储 前几乎无法实现8英寸以上无拼接大尺寸微纳模具 料筒温度为75℃，针头温度为80℃，脉冲频率为 (母版)制造，限制了这些技术普及和应用.以PCL、 1Hz.施加电压为2300V,打印的图案如图9所示. PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等为打印材料，采用电 脉冲锥射流打印模式打印低黏度材料时，熔体 场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印，提供了一 以微熔滴形式沉积到基板上，通过调节频率和占空 种大尺寸无拼接微尺度模具快速、低成本制造的新 比，控制单脉冲时间，实现每个脉宽打印一个微液滴 方法.图10是制造的线栅结构微尺度大模具，模具 按需打印，单脉冲时间、背压以及打印喷嘴尺径等因 尺寸80mm×80mm,线宽4m,周期200μm,图形
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 印,适用电压范围较宽,打印微细丝质量受电压升高 影响较小,打印过程相对较为稳定. 3郾 4郾 2 打印速度 打印速度(工作台移动速度) 对于打印图形线 宽尺寸有着重要的影响. 实验打印参数:使用内径 250 滋m 武藏式针头,储料筒温度 95 益 ,针头温度 100 益 , 针 尖 距 离 底 板 距 离 200 滋m, 施 加 电 压 1200 V,打印速度分别 0郾 5、1、5、10、20、30、40 和 50 mm·s - 1 ,打 印 结 果 如 图 7, 线 宽 测 量 工 具 为 OLYMPUS DSX510 高精度光学显微镜. 由打印的结 果可知,在打印工艺窗口内,随着打印速度增大,线 宽会相应减小. 其原因是:打印材料沉积到基板上 后,由于材料与基板的黏附作用,会对微细丝产生一 种拉力(黏性拖拽力),而黏性拖拽力会将微细丝拉 伸,使细丝均匀变细,且微细丝由于韧性较好在一定 范围内不会因为打印速度的增加而断开. 当打印速 度过低时,黏性拖拽力所导致的拉力作用较小,对于 线宽的影响较小. 因此,随着打印速度的增大,由黏 性拖拽力所导致的拉力逐渐增大,在确保其不被拉 断的前提下,线宽会随打印速度的增加而减小. 通 过多组对比试验,得出线宽随打印速度变化关系以 及相同打印速度下的线宽变化范围,如图 8 所示. 图 7 工作台速度对于打印线图案的影响和规律 Fig. 7 Influence and rule of stage speed for the print line pattern 图 8 线宽随打印速度变化规律 Fig. 8 Variation of line width with printing speed 3郾 5 脉冲锥射流打印模式打印实验结果与分析 使用脉冲锥射流打印模式打印 80 号微晶蜡,实 验打印工艺参数:使用内径 250 滋m 武藏式针头,储 料筒温度为 75 益 ,针头温度为 80 益 ,脉冲频率为 1 Hz. 施加电压为 2300 V,打印的图案如图 9 所示. 脉冲锥射流打印模式打印低黏度材料时,熔体 以微熔滴形式沉积到基板上,通过调节频率和占空 比,控制单脉冲时间,实现每个脉宽打印一个微液滴 按需打印,单脉冲时间、背压以及打印喷嘴尺径等因 素影响微熔滴尺寸. 此外,通过脉冲波形与打印速 度相配合,能够实现图案化精确可控打印和按需喷 射喷印. 4 案例研究 通过三个典型的实际打印案例,展示电场驱动 熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印在大尺寸和高分辨 率 3D 打印方面的潜能,以及宏/ 微跨尺度结构一体 化制造的显著优势. 4郾 1 大尺寸微尺度模具 大尺寸微尺度模具是微纳米压印、软光刻等诸 多领域最重要的工艺要素,然而如何实现大尺寸微 纳尺度模具的高效、低成本制造一直是学术界和产 业界所面临的一项挑战性难题. 传统的光学光刻等 制造方法存在生产成本高、周期长的问题,尤其是目 前几乎无法实现 8 英寸以上无拼接大尺寸微纳模具 (母版)制造,限制了这些技术普及和应用. 以 PCL、 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等为打印材料,采用电 场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印,提供了一 种大尺寸无拼接微尺度模具快速、低成本制造的新 方法. 图 10 是制造的线栅结构微尺度大模具,模具 尺寸 80 mm 伊 80 mm,线宽 4 滋m,周期 200 滋m,图形 ·658·
赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 ·659· 500μm 100μ. 0 500μm 200μm 图9脉冲锥射流打印模式打印微品蜡点阵列和图案 Fig.9 Dot arrays and patterns of microcrystalline wax printed using the pulsed-cone jet printing mode a (c) 30 mm 200m 2μm 图10大尺寸微尺度线栅结构模具.(a)宏观结构：(b)微观结构：(c)单线三维结构 Fig.10 Large micro-scale wire-grid structure mold:(a)macrostructure;(b)micro structure;(c)single-line three-dimensional structure 高宽比1：0.3.图10(a)、(b)、(c)分别为模具宏观 常广泛的工程应用，其中两个典型应用为组织工程 图、微结构放大图（光学显微镜）、三维结构图（体视 支架与单细胞培养板.组织工程支架是为细胞生长 显微镜). 输送营养及排泄代谢产物的三维多孔结构，理想的 4.2大高宽比微结构制造 组织工程支架必须具备可控的孔隙率、孔的大小和 大高宽比微结构是微纳制造的难点和亟待突破 孔的分布，这决定着向支架内细胞供给氧气、养分的 的技术瓶颈，电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D 效果以及组织生长形状.单细胞培养板要求每个方 打印为大高宽比微结构制造提供了一种全新的解决 格相互不干涉，细胞不会通过网格壁随意移动，从而 方案，而且其具有制造成本低、生产周期短的突出优 势.图11是打印的大高宽比微尺度“墙”结构，宽度 达到单个细胞单独培养，以便观测每个细胞不同生 50m,高度500um,高宽比达到10：1.图12是打印 长状况3-].采用电场驱动熔融喷射沉积技术，合 的大高宽比圆环结构，壁厚20um,直径20mm,高度 理控制喷射出的高分辨率细丝分布，同时，协同控制 500μm,高宽比达到25：1.打印的工艺参数：喷嘴内 针尖温度与打印基板温度，达到控制细丝固化速度， 径250m,料筒加热95℃，喷头加热100℃，喷头与 以调控细丝下垂度，能够实现高质量微尺度网格三 基板高度150μm,电压1200V. 维结构可控打印.打印材料PCL,针尖内径尺寸 4.3组织支架和网格三维结构 250μm,料筒加热95℃，针尖与底板距离150μm,基 微尺度网格三维结构在生物工程等领域具有非 板不加热，打印电压1300kV.由于组织工程支架与
赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 图 9 脉冲锥射流打印模式打印微晶蜡点阵列和图案 Fig. 9 Dot arrays and patterns of microcrystalline wax printed using the pulsed鄄cone jet printing mode 图 10 大尺寸微尺度线栅结构模具. (a) 宏观结构; (b) 微观结构; (c) 单线三维结构 Fig. 10 Large micro鄄scale wire鄄grid structure mold: (a) macrostructure; (b) micro structure; (c) single鄄line three鄄dimensional structure 高宽比 1颐 0郾 3. 图 10(a)、(b)、(c)分别为模具宏观 图、微结构放大图(光学显微镜)、三维结构图(体视 显微镜). 4郾 2 大高宽比微结构制造 大高宽比微结构是微纳制造的难点和亟待突破 的技术瓶颈,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印为大高宽比微结构制造提供了一种全新的解决 方案,而且其具有制造成本低、生产周期短的突出优 势. 图 11 是打印的大高宽比微尺度“墙冶结构,宽度 50 滋m,高度500 滋m,高宽比达到10颐 1. 图12 是打印 的大高宽比圆环结构,壁厚 20 滋m,直径 20 mm,高度 500 滋m,高宽比达到 25颐 1. 打印的工艺参数:喷嘴内 径 250 滋m,料筒加热 95 益 ,喷头加热 100 益 ,喷头与 基板高度 150 滋m,电压 1200 V. 4郾 3 组织支架和网格三维结构 微尺度网格三维结构在生物工程等领域具有非 常广泛的工程应用,其中两个典型应用为组织工程 支架与单细胞培养板. 组织工程支架是为细胞生长 输送营养及排泄代谢产物的三维多孔结构,理想的 组织工程支架必须具备可控的孔隙率、孔的大小和 孔的分布,这决定着向支架内细胞供给氧气、养分的 效果以及组织生长形状. 单细胞培养板要求每个方 格相互不干涉,细胞不会通过网格壁随意移动,从而 达到单个细胞单独培养,以便观测每个细胞不同生 长状况[13鄄鄄15] . 采用电场驱动熔融喷射沉积技术,合 理控制喷射出的高分辨率细丝分布,同时,协同控制 针尖温度与打印基板温度,达到控制细丝固化速度, 以调控细丝下垂度,能够实现高质量微尺度网格三 维结构可控打印. 打印材料 PCL,针尖内径尺寸 250 滋m,料筒加热 95 益 ,针尖与底板距离 150 滋m,基 板不加热,打印电压 1300 kV. 由于组织工程支架与 ·659·
.660. 工程科学学报，第41卷，第5期 a 200 pum 200Lm 图11打印的大高宽比微尺度“墙"结构（线宽50μm,高宽比10：1）.(a)俯视图：(b)前视图 Fig.11 Micro-scale "wall"structure with a large aspect ratio line width 50 um;aspect ratio 10:1):(a)top view;(b)front view 100pm 20mm. Imm 图12打印的大高宽比微尺度圆环（壁厚20μm,直径20mm,高度500μm,高宽比25：1）.(a)宏观结构：(b)微观结构 Fig.12 Microscale ring with a large aspect ratio (wall thickness 20 m;diameter 20 mm;height 500 m;aspect ratio 25:1):(a)macrostructure; (b)micro structure 单细胞培养板制作所需要求不同，故打印工艺参数 用形成锥射流所需要的稳定电场.提出的单电势电 不同.组织工程支架所需针尖加热90℃，打印速度 场驱动熔融喷射沉积3D打印突破了传统的电流体 为30mms1:单细胞培养板所需针尖加热110℃， 动力喷射打印对于成形高度、材料种类、基板导电性 打印速度5mm·s1.如图l3所示，图(a)为打印组 和平整性等要求和限制，尤其是能够实现大尺寸、共 织工程支架，支架的总体尺寸4mm×4mm,线宽 形和曲面3D打印，进一步提高了打印过程稳定性， 30μm,周期300μm,支架高度为200μm.图(b)为 能够实现低成本、高分辨率熔融沉积3D打印 打印单细胞培养板，培养板总体尺寸为10mm×10mm, (2)根据不同打印材料性能和打印件实际功能 线宽10m,周期100m,培养板高度30m. 要求，提出两种全新的打印模式：脉冲锥射流模式和 连续锥射流模式.打印低黏度材料，采用脉冲锥射 5结论 流模式打印：打印高黏度熔体材料时，采用连续锥射 本文提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 流模式打印.可供打印材料广泛，打印材料无需进 3D打印新工艺，通过对成型原理的理论分析、数值 行预处理，无需制成特殊形状，也无需进行溶液配 模拟、实验研究、以及实际打印案例的系统研究，得 比，有利于呈现材料本身性能，降低的打印材料的制 到如下重要结论： 造成本，简化制造工艺 (1)不同于传统的电流体动力喷射打印，其需 (3)在打印工艺窗口内，随着打印速度增大，线 要在导电喷嘴与导电基板间施加高压电源以形成电 宽会相应减小.为了实现稳定的打印，施加在导电 场（需要两个电极对）.电场驱动熔融喷射沉积高分 喷嘴上的电压必须在给定的范围内，低于需要的最 辨率3D打印只需导电喷嘴与高压脉冲电源正极相 小电压值，无法形成喷射，高于最大电压值，出现鞭 连，不需要接地的基板作为对电极，通过静电感应作 动（或者摆动）效应，无法实现精确可控的3D成形
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 图 11 打印的大高宽比微尺度“墙冶结构(线宽 50 滋m,高宽比 10颐 1). (a) 俯视图; (b) 前视图 Fig. 11 Micro鄄scale “wall冶 structure with a large aspect ratio (line width 50 滋m; aspect ratio 10颐 1): (a) top view; (b) front view 图 12 打印的大高宽比微尺度圆环(壁厚 20 滋m,直径 20 mm,高度 500 滋m,高宽比 25颐 1). (a) 宏观结构; (b) 微观结构 Fig. 12 Microscale ring with a large aspect ratio (wall thickness 20 滋m; diameter 20 mm; height 500 滋m; aspect ratio 25颐 1): (a) macrostructure; (b) micro structure 单细胞培养板制作所需要求不同,故打印工艺参数 不同. 组织工程支架所需针尖加热 90 益 ,打印速度 为 30 mm·s - 1 ;单细胞培养板所需针尖加热 110 益 , 打印速度 5 mm·s - 1 . 如图 13 所示,图(a)为打印组 织工程支架,支架的总体尺寸 4 mm 伊 4 mm,线宽 30 滋m,周期 300 滋m,支架高度为 200 滋m. 图(b)为 打印单细胞培养板,培养板总体尺寸为10 mm 伊10 mm, 线宽10 滋m,周期100 滋m,培养板高度30 滋m. 5 结论 本文提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印新工艺,通过对成型原理的理论分析、数值 模拟、实验研究、以及实际打印案例的系统研究,得 到如下重要结论: (1)不同于传统的电流体动力喷射打印,其需 要在导电喷嘴与导电基板间施加高压电源以形成电 场(需要两个电极对). 电场驱动熔融喷射沉积高分 辨率 3D 打印只需导电喷嘴与高压脉冲电源正极相 连,不需要接地的基板作为对电极,通过静电感应作 用形成锥射流所需要的稳定电场. 提出的单电势电 场驱动熔融喷射沉积 3D 打印突破了传统的电流体 动力喷射打印对于成形高度、材料种类、基板导电性 和平整性等要求和限制,尤其是能够实现大尺寸、共 形和曲面 3D 打印,进一步提高了打印过程稳定性, 能够实现低成本、高分辨率熔融沉积 3D 打印. (2)根据不同打印材料性能和打印件实际功能 要求,提出两种全新的打印模式:脉冲锥射流模式和 连续锥射流模式. 打印低黏度材料,采用脉冲锥射 流模式打印;打印高黏度熔体材料时,采用连续锥射 流模式打印. 可供打印材料广泛,打印材料无需进 行预处理,无需制成特殊形状,也无需进行溶液配 比,有利于呈现材料本身性能,降低的打印材料的制 造成本,简化制造工艺. (3)在打印工艺窗口内,随着打印速度增大,线 宽会相应减小. 为了实现稳定的打印,施加在导电 喷嘴上的电压必须在给定的范围内,低于需要的最 小电压值,无法形成喷射,高于最大电压值,出现鞭 动(或者摆动)效应,无法实现精确可控的 3D 成形. ·660·
赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 ·661· 150μm (a) 200Am 50 pm (b) 图13电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印的组织支架和网格三维结构.()组织支架：(b)网格三维结构 Fig.13 Fabrication of tissue scaffold and three-dimensional grid structure using the high-resolution fused deposition 3D printing method based on electric-field-driven jetting system:(a)tissue scaffold;(b)three-dimensional grid structure (4)一种双加热集成式喷头，通过对储料筒和[]0 nses MS,Sutanto E,Ferreira PM,tal.Mechanisms,eapa- 喷嘴加热温度精准调控，能够解决熔融材料打印喷 bilities,and applications of high-resolution electrohydrodynamie jet printing.Smal,2015.11(34):4237 头易堵、打印稳定性和连续性差、喷头不同区域温度 [8]Lan H B,Li DC,Lu B H.Micro-and nanoscale 3D printing.Sci- 精准调控的难题 entia Sinica Technol),2015,45(9):919 (兰红波，李涤尘，卢秉恒.微纳尺度3D打印.中国科学：技 参考文献 术科学，2015,45(9)：919) [1]Ngo TD,Kashani A,Imbalzano C,et al.Additive manufacturing [9]Dalton P D.Melt electrowriting with additive manufacturing princi- (3D printing):a review of materials,methods,applications and ples.Curr Opin Biomed Eng,2017,2:49 challenges.Composites Part B:Eng,2018,143:172 [10]Hrynevich A,Elci B S,Haigh J N,et al.Dimension-based de- [2]MacDonald E,Wicker R.Multiprocess 3D printing for increasing sign of melt electrowritten scaffolds.Small,2018,14 (22 ) component functionality.Science,2016,353(6307):1512 1800232 [3]Lewis J A,Ahn B Y.Device fabrication:Three-dimensional prin- [11]Hochleitner G,Juingst T,Brown T D,et al.Additive manufac- ted electronics.Nature,2015,518:42 turing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospin- [4]Zhang B,Seong B,Nguyen V,et al.3D printing of high-resolu ning writing.Biofabrication,2015,7(3):035002 tion PLA-based structures by hybrid electrohydrodynamic and fused [12]Muerza-Cascante M L,Haylock D,Hutmacher D W,et al.Melt deposition modeling techniques.JMicromech Microeng,2016,26 electrospinning and its technologization in tissue engineering.Tis- (2):025015 sue Eng Part B,Rev,2015,21(2)187 [5] Bae J,Lee J,Hyun Kim S.Effects of polymer properties on jetting [13]Feiner R,Fleischer S,Shapira A,et al.Multifunctional degrad- performance of electrohydrodynamic printing.JAppl Polym Sci, able electronic scaffolds for cardiac tissue engineering.Con- 2017,134(35):45044 trolled Release,2018,281:189 [6]Zou S T,Lan H B,Qian L,et al.Effects and rules of E-jet 3D [14]Gremare A,Guduric V,Bareille R,et al.Characterization of printing process parameters on Taylor cone and printed patters. printed PLA scaffolds for bone tissue engineering.Biomed Ma- Chin J Eng,2018,40(3):373 ter Res Part A,2018,106(4):887 (邹淑亭，兰红波，钱垒，等.电流体动力喷射3D打印工艺参 [15]Ovsianikov A,Khademhosseini A,Mironov V.The synergy of 数对泰勒锥和打印图形的影响和规律.工程科学学报，2018， scaffold-based and scaffold-free tissue engineering strategies. 40(3):373) Trends Biotechnol,2018,36(4):348
赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 图 13 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印的组织支架和网格三维结构. (a) 组织支架; (b) 网格三维结构 Fig. 13 Fabrication of tissue scaffold and three鄄dimensional grid structure using the high鄄resolution fused deposition 3D printing method based on electric鄄field鄄driven jetting system: (a) tissue scaffold; (b) three鄄dimensional grid structure (4)一种双加热集成式喷头,通过对储料筒和 喷嘴加热温度精准调控,能够解决熔融材料打印喷 头易堵、打印稳定性和连续性差、喷头不同区域温度 精准调控的难题. 参 考 文 献 [1] Ngo T D, Kashani A, Imbalzano G, et al. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Eng, 2018, 143: 172 [2] MacDonald E, Wicker R. Multiprocess 3D printing for increasing component functionality. Science, 2016, 353(6307): 1512 [3] Lewis J A, Ahn B Y. Device fabrication: Three鄄dimensional prin鄄 ted electronics. Nature, 2015, 518: 42 [4] Zhang B, Seong B, Nguyen V, et al. 3D printing of high鄄resolu鄄 tion PLA鄄based structures by hybrid electrohydrodynamic and fused deposition modeling techniques. J Micromech Microeng, 2016, 26 (2): 025015 [5] Bae J, Lee J, Hyun Kim S. Effects of polymer properties on jetting performance of electrohydrodynamic printing. J Appl Polym Sci, 2017, 134(35): 45044 [6] Zou S T, Lan H B, Qian L, et al. Effects and rules of E鄄jet 3D printing process parameters on Taylor cone and printed patterns. Chin J Eng, 2018, 40(3): 373 (邹淑亭, 兰红波, 钱垒, 等. 电流体动力喷射3D 打印工艺参 数对泰勒锥和打印图形的影响和规律. 工程科学学报, 2018, 40(3): 373) [7] Onses M S, Sutanto E, Ferreira P M, et al. Mechanisms, capa鄄 bilities, and applications of high鄄resolution electrohydrodynamic jet printing. Small, 2015, 11(34): 4237 [8] Lan H B, Li D C, Lu B H. Micro鄄and nanoscale 3D printing. Sci鄄 entia Sinica (Technol), 2015, 45(9): 919 (兰红波, 李涤尘, 卢秉恒. 微纳尺度 3D 打印. 中国科学: 技 术科学, 2015, 45(9): 919) [9] Dalton P D. Melt electrowriting with additive manufacturing princi鄄 ples. Curr Opin Biomed Eng, 2017, 2: 49 [10] Hrynevich A, El觭i B S, Haigh J N, et al. Dimension鄄based de鄄 sign of melt electrowritten scaffolds. Small, 2018, 14 ( 22 ): 1800232 [11] Hochleitner G, J俟ngst T, Brown T D, et al. Additive manufac鄄 turing of scaffolds with sub鄄micron filaments via melt electrospin鄄 ning writing. Biofabrication, 2015, 7(3): 035002 [12] Muerza鄄Cascante M L, Haylock D, Hutmacher D W, et al. Melt electrospinning and its technologization in tissue engineering. Tis鄄 sue Eng Part B, Rev, 2015, 21(2): 187 [13] Feiner R, Fleischer S, Shapira A, et al. Multifunctional degrad鄄 able electronic scaffolds for cardiac tissue engineering. J Con鄄 trolled Release, 2018, 281: 189 [14] Gr佴mare A, Guduric V, Bareille R, et al. Characterization of printed PLA scaffolds for bone tissue engineering. J Biomed Ma鄄 ter Res Part A, 2018, 106(4): 887 [15] Ovsianikov A, Khademhosseini A, Mironov V. The synergy of scaffold鄄based and scaffold鄄free tissue engineering strategies. Trends Biotechnol, 2018, 36(4): 348 ·661·