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·