.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·