·378 工程科学学报，第40卷，第3期 趋于平滑，所打印图形线边缘粗糙度较低，但线宽有 57%;背压20kPa;喷嘴与基底距离0.3mm.图6展 所增大.随着占空比进一步增大，泰勒锥高度开始 示了脉冲频率分别为600、1000和1400Hz,每一频 减小，打印图形线边缘粗糙度增大，打印图形的质量 率都相对应20、60、100和140mm·s-1的工作台移动 变差.具体原因：即使外加电压达到了锥射流模式 速度的打印图形.图7分别给出了打印图形线宽粗 形成的阈值电压，锥射流的形成也需要一定的时间. 糙度变化图和线宽变化曲线图，其中k为单条线的 从能量角度看，在相同脉冲频率下，占空比增大使得 最窄处与最宽处线宽比值 射流具有更大的动能，当射流具有的动能超过液体 Vmm·s） /mm·s） 表面能时利于稳定射流的形成.同时随着占空比的 2060100140 Vmm·s） 2060100140 增大，泰勒锥高度的增大也使得其表面液滴具有更 2060100140 长的加速距离，液体动能增量较大，形成的射流稳定 性好.因此，随着占空比增大，打印图形的形貌质量 变好，同时单个脉冲周期下泰勒锥喷射的液体总体 积增大使得线宽也略有增大.但是，当占空比太大 时，液体的供给流速不能维持从喷嘴喷出的喷射量， 1400z 泰勒锥高度有所减小以减弱回流，此时形成的射流 1000Hz 稳定性较差，导致打印直线的粗糙度变差.对于本 0 HZ 实验中，57%占空比下形成的泰勒锥较为理想，此时 图6不同脉冲频率和工作台移动速度下的打印图形 射流稳定性好，所打印图形的线边缘粗糙度低，图形 Fig.6 Patterns with different pulse frequencies and stage velocities 质量好 3.4脉冲频率和工作台移动速度 由图6可以看出，工作台移动速度较低时，不同 脉冲频率和工作台移动速度相互配合共同影响 脉冲频率条件下所打印图形的线边缘粗糙度较大： 和决定打印图形的精度（线宽）和质量（线边缘粗糙 随着工作台移动速度增大，所打印图形的线边缘粗 度).脉冲频率决定了电场力对喷射液体的持续作 糙度逐渐降低，同时线宽也明显减小.从图7(a)线 用时间，工作台移动速度则直接决定了单位面积微 边缘粗糙度变化趋势可以推断出：对于不同的脉冲 液滴的沉积量.如果喷射频率低，工作台移动速度 频率，当工作台移动速度较低时，喷射在基底上微液 高，打印图形（直线）不连续；相反如果喷射频率高， 滴的间距较小形成重叠，打印图形质量较差；随着工 工作台移动速度低，导致喷射微液滴在同一位置叠 作台移动速度增大，微液滴间距逐渐增大，打印图形 加，打印直线的线宽增加，同时线边缘粗糙度增大. 质量得到有效提高.但是进一步提高工作台移动速 因此，理论上存在一个最优的脉冲频率和工作台移 度后，喷射在基底上微液滴的间距变大反而使得图 动速度组合，能够一方面确保打印图形保持连续性， 形质量变差.由图7(b)线宽变化曲线可知：增大工 另一方面能够得到最小的线宽和最低的线边缘粗糙 作台移动速度，线宽显著减小.而脉冲频率对于线 度.这是实际打印所期望获得的理论最优工艺 宽的影响不大.因此，喷印工艺参数的优化应综合 窗口. 考虑两种工艺参数对线宽和线边缘粗糙度的影响. 本实验参数具体设置如下：电压1500V;占空比 本实验中，综合考虑两种打印工艺参数的影响，选取 100r 60 6600 Hz -600Hz 80a1000Hz 50 1000Hz ▣1400Hz 1400Hz 40 60 30 40 20 10 0 20 60 100 140 20 60 100 140 工作台移动速度/(mm·s) 工作台移动速度/(mm·s) 图7线边缘粗糙度(a)和线宽(b)变化图 Fig.7 Diagram of line edge roughness (a)and line width (b)工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 趋于平滑，所打印图形线边缘粗糙度较低，但线宽有 所增大． 随着占空比进一步增大，泰勒锥高度开始 减小，打印图形线边缘粗糙度增大，打印图形的质量 变差． 具体原因: 即使外加电压达到了锥射流模式 形成的阈值电压，锥射流的形成也需要一定的时间． 从能量角度看，在相同脉冲频率下，占空比增大使得 射流具有更大的动能，当射流具有的动能超过液体 表面能时利于稳定射流的形成． 同时随着占空比的 增大，泰勒锥高度的增大也使得其表面液滴具有更 长的加速距离，液体动能增量较大，形成的射流稳定 性好． 因此，随着占空比增大，打印图形的形貌质量 变好，同时单个脉冲周期下泰勒锥喷射的液体总体 积增大使得线宽也略有增大． 但是，当占空比太大 时，液体的供给流速不能维持从喷嘴喷出的喷射量， 泰勒锥高度有所减小以减弱回流，此时形成的射流 稳定性较差，导致打印直线的粗糙度变差． 对于本 实验中，57% 占空比下形成的泰勒锥较为理想，此时 射流稳定性好，所打印图形的线边缘粗糙度低，图形 质量好． 图 7 线边缘粗糙度( a) 和线宽( b) 变化图 Fig． 7 Diagram of line edge roughness ( a) and line width ( b) 3. 4 脉冲频率和工作台移动速度 脉冲频率和工作台移动速度相互配合共同影响 和决定打印图形的精度( 线宽) 和质量( 线边缘粗糙 度) ． 脉冲频率决定了电场力对喷射液体的持续作 用时间，工作台移动速度则直接决定了单位面积微 液滴的沉积量． 如果喷射频率低，工作台移动速度 高，打印图形( 直线) 不连续; 相反如果喷射频率高， 工作台移动速度低，导致喷射微液滴在同一位置叠 加，打印直线的线宽增加，同时线边缘粗糙度增大． 因此，理论上存在一个最优的脉冲频率和工作台移 动速度组合，能够一方面确保打印图形保持连续性， 另一方面能够得到最小的线宽和最低的线边缘粗糙 度． 这是实际打印所期望获得的理论最优工艺 窗口． 本实验参数具体设置如下: 电压 1500 V; 占空比 57% ; 背压 20 kPa; 喷嘴与基底距离 0. 3 mm． 图 6 展 示了脉冲频率分别为 600、1000 和 1400 Hz，每一频 率都相对应 20、60、100 和 140 mm·s － 1的工作台移动 速度的打印图形． 图 7 分别给出了打印图形线宽粗 糙度变化图和线宽变化曲线图，其中 k 为单条线的 最窄处与最宽处线宽比值． 图 6 不同脉冲频率和工作台移动速度下的打印图形 Fig． 6 Patterns with different pulse frequencies and stage velocities 由图 6 可以看出，工作台移动速度较低时，不同 脉冲频率条件下所打印图形的线边缘粗糙度较大; 随着工作台移动速度增大，所打印图形的线边缘粗 糙度逐渐降低，同时线宽也明显减小． 从图 7( a) 线 边缘粗糙度变化趋势可以推断出: 对于不同的脉冲 频率，当工作台移动速度较低时，喷射在基底上微液 滴的间距较小形成重叠，打印图形质量较差; 随着工 作台移动速度增大，微液滴间距逐渐增大，打印图形 质量得到有效提高． 但是进一步提高工作台移动速 度后，喷射在基底上微液滴的间距变大反而使得图 形质量变差． 由图 7( b) 线宽变化曲线可知: 增大工 作台移动速度，线宽显著减小． 而脉冲频率对于线 宽的影响不大． 因此，喷印工艺参数的优化应综合 考虑两种工艺参数对线宽和线边缘粗糙度的影响． 本实验中，综合考虑两种打印工艺参数的影响，选取 · 873 ·