邹淑亭等：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 ·377· 实验结果显示，电压变化对泰勒锥形态和打印 0.3 mm 0.4 mm 0.5 mm 0.6 mm 0.7 mm 图形都有着非常显著影响.在开始阶段，随着电压 增大，泰勒锥形状由外凸状逐渐变为内凹状，线宽略 微增大.随后，当电压由1400增至1500V时，泰勒 锥的锥长有所增大，相对应打印图形质量变好.而 随着电压继续增大，泰勒锥锥长逐渐变短，相对应打 印的图形质量逐渐变差 本实验中采用的光敏聚合物打印材料，电导率 较小.液体加速区延伸至泰勒锥的基面，相比于电 导率较大的导电材料而言，其较早开始加速，由于液 体流动的连续性，整个泰勒锥的液面呈下凹状.随 着电压不断增大，法向电场力增大使得锥形由外凸 图4不同的喷嘴与基底距离下锥射流和相应沉积形貌 Fig.4 Conejet mode and corresponding patterns with different 状逐渐变为内凹状.泰勒锥的变化影响锥射流，从 standoff heights 而对打印图形的精度和质量造成较大的影响.在射 流出现初始阶段，脉冲电压增大使得泰勒锥内部产 动的实验现象，认为本实验中射流的破裂机制为扭 生较强的回流以保持足够的液体，从而形成较细的 曲破裂.随着喷嘴与基底距离增大，在同样的脉冲 射流，此时泰勒锥锥长增大更利于射流的形成.而 电压条件下，电场力逐渐减小，锥射流非稳态流动的 随着电压的进一步加大，高电压下切向电场力增大， 不稳定性波动变大，从而导致打印图形线边缘粗糙 一方面泰勒锥锥长变短以增大表面张力来维持锥形 度较大.本实验中喷嘴与基底距离在0.3mm处打 的平衡.另一方面切向电场力增大也使得更多的液 印图形的线边缘粗糙度较小，打印直线平滑度较好. 体回流，此时泰勒锥锥长变短以减弱回流来维持喷 3.3占空比 射的稳定性叼.因此，电压是影响泰勒锥锥长和形 占空比决定了单个脉冲周期内脉冲电压作用时 状、打印图形的质量（线宽粗糙度）和精度最重要的 间.在同一脉冲频率下，占空比的大小决定了电场 因素之一.对于本实验，1500V电压下形成的泰勒 喷射的状态，占空比太小，锥射流模式不能形成；占 锥半锥角接近于理论泰勒锥半锥角49.38-9，圆 空比太大，则射流稳定性较差.占空比对于打印图 锥形状接近于理想泰勒锥，同时所打印图形分辨率 形的质量和精度都有着重要的影响.实验打印参数 高，线宽粗糙度也最小. 具体设置如下：电压1500V:喷印高度0.3mm:背压 3.2喷嘴与基底距离 20kPa;脉冲频率1200Hz;Y轴工作台移动速度100 喷嘴与基底距离是电流体动力喷射3D打印另 mms1.其中，实验中观察到占空比在55%~60% 外一个重要的工艺参数，它不仅直接影响到锥射流 的范围内能够形成较为稳定的锥射流.因此，图5 的稳定性，而且与所施加电压和基底导电性能等密 分别展示了不同占空比下，泰勒锥形态和打印图形 切相关.在确保获得稳定锥射流模式前提下，喷嘴 线边缘粗糙度的变化. 与基底的距离设定为0.2~0.8mm,研究喷嘴与基 底距离对打印图形质量（形貌）的影响.其他工艺参 数设定如下：电压1500V:占空比57%：脉冲频率 1200Hz;Y轴工作台移动速度100mm·s-1.图4展 示了不同距离（高度）情况下，泰勒锥和射流的变化 以及相对应的打印图形线边缘粗糙度的变化 实验结果显示，随着喷嘴与基底距离增大，泰勒 锥锥长略微减小，锥射流稳定性变差，其对应的打印 5g 56 57 589 590 60 图形的质量（线边缘粗糙度）下降.分析其原因：当 图5不同占空比下泰勒锥形态和相应沉积形貌 锥射流形成后，射流被拉长到一定距离后进入了非 Fig.5 Morphology of Taylor cone and corresponding patterns with 稳定状态（射流破裂），研究表明射流的分解过程主 different duty ratios 要有两种作用机制：低电荷密度时的轴向破裂和高 实验结果显示，当占空比从55%增大至57% 电荷密度时的鞭式破裂.依据所观察到射流来回晃 时，泰勒锥高度略微增大，此时打印直线的形貌轮廓邹淑亭等: 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 实验结果显示，电压变化对泰勒锥形态和打印 图形都有着非常显著影响． 在开始阶段，随着电压 增大，泰勒锥形状由外凸状逐渐变为内凹状，线宽略 微增大． 随后，当电压由 1400 增至 1500 V 时，泰勒 锥的锥长有所增大，相对应打印图形质量变好． 而 随着电压继续增大，泰勒锥锥长逐渐变短，相对应打 印的图形质量逐渐变差． 本实验中采用的光敏聚合物打印材料，电导率 较小． 液体加速区延伸至泰勒锥的基面，相比于电 导率较大的导电材料而言，其较早开始加速，由于液 体流动的连续性，整个泰勒锥的液面呈下凹状． 随 着电压不断增大，法向电场力增大使得锥形由外凸 状逐渐变为内凹状． 泰勒锥的变化影响锥射流，从 而对打印图形的精度和质量造成较大的影响． 在射 流出现初始阶段，脉冲电压增大使得泰勒锥内部产 生较强的回流以保持足够的液体，从而形成较细的 射流，此时泰勒锥锥长增大更利于射流的形成． 而 随着电压的进一步加大，高电压下切向电场力增大， 一方面泰勒锥锥长变短以增大表面张力来维持锥形 的平衡． 另一方面切向电场力增大也使得更多的液 体回流，此时泰勒锥锥长变短以减弱回流来维持喷 射的稳定性［17］． 因此，电压是影响泰勒锥锥长和形 状、打印图形的质量( 线宽粗糙度) 和精度最重要的 因素之一． 对于本实验，1500 V 电压下形成的泰勒 锥半锥角接近于理论泰勒锥半锥角 49. 3°［18--19］，圆 锥形状接近于理想泰勒锥，同时所打印图形分辨率 高，线宽粗糙度也最小． 3. 2 喷嘴与基底距离 喷嘴与基底距离是电流体动力喷射 3D 打印另 外一个重要的工艺参数，它不仅直接影响到锥射流 的稳定性，而且与所施加电压和基底导电性能等密 切相关． 在确保获得稳定锥射流模式前提下，喷嘴 与基底的距离设定为 0. 2 ～ 0. 8 mm，研究喷嘴与基 底距离对打印图形质量( 形貌) 的影响． 其他工艺参 数设定如下: 电压 1500 V; 占空比 57% ; 脉冲频率 1200 Hz; Y 轴工作台移动速度 100 mm·s － 1 ． 图 4 展 示了不同距离( 高度) 情况下，泰勒锥和射流的变化 以及相对应的打印图形线边缘粗糙度的变化． 实验结果显示，随着喷嘴与基底距离增大，泰勒 锥锥长略微减小，锥射流稳定性变差，其对应的打印 图形的质量( 线边缘粗糙度) 下降． 分析其原因: 当 锥射流形成后，射流被拉长到一定距离后进入了非 稳定状态( 射流破裂) ，研究表明射流的分解过程主 要有两种作用机制: 低电荷密度时的轴向破裂和高 电荷密度时的鞭式破裂． 依据所观察到射流来回晃 图 4 不同的喷嘴与基底距离下锥射流和相应沉积形貌 Fig． 4 Cone-jet mode and corresponding patterns with different standoff heights 动的实验现象，认为本实验中射流的破裂机制为扭 曲破裂． 随着喷嘴与基底距离增大，在同样的脉冲 电压条件下，电场力逐渐减小，锥射流非稳态流动的 不稳定性波动变大，从而导致打印图形线边缘粗糙 度较大． 本实验中喷嘴与基底距离在 0. 3 mm 处打 印图形的线边缘粗糙度较小，打印直线平滑度较好． 3. 3 占空比 占空比决定了单个脉冲周期内脉冲电压作用时 间． 在同一脉冲频率下，占空比的大小决定了电场 喷射的状态，占空比太小，锥射流模式不能形成; 占 空比太大，则射流稳定性较差． 占空比对于打印图 形的质量和精度都有着重要的影响． 实验打印参数 具体设置如下: 电压 1500 V; 喷印高度 0. 3 mm; 背压 20 kPa; 脉冲频率 1200 Hz; Y 轴工作台移动速度 100 mm·s － 1 ． 其中，实验中观察到占空比在 55% ～ 60% 的范围内能够形成较为稳定的锥射流． 因此，图 5 分别展示了不同占空比下，泰勒锥形态和打印图形 线边缘粗糙度的变化． 图 5 不同占空比下泰勒锥形态和相应沉积形貌 Fig． 5 Morphology of Taylor cone and corresponding patterns with different duty ratios 实验结果显示，当占空比从 55% 增大至 57% 时，泰勒锥高度略微增大，此时打印直线的形貌轮廓 · 773 ·