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·