赵佳伟等：电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 ·653· method that meets the requirements of the high-resolution FDM process at low cost.The new technolgy proposed in this paper offers a novel solution for realizing high-resolution and macro/micro-scale fused-jet deposition 3D printing at low cost with good material univer- sality KEY WORDS high-resolution 3D printing;electric-field-driven jetting;double heating nozzle;fused deposition modeling;micro/ nano-additive manufacturing 增材制造（亦称为3D打印）技术是20世纪80 如喷头和基板（打印床）的高度一般不超过5mm 年代中期发展起来的一种新型制造技术，受到工业 (否则难以形成稳定的锥射流)，因此打印件的成 界的极大关注.美国麦肯锡咨询公司发布的“展望 形高度通常被限定在5mm以内，而且对基板（或者 2025”报告中将3D打印列入决定未来经济发展的 已成形结构)平整性和导电性等有许多的限制，难 12大颠覆性技术之一.英国《经济学人》认为它将 以实现共形和曲面3D打印.因此，尽管基于EHD “与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业 的熔融沉积成型能够实现高分辨打印，但是在3D 革命”.熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, 结构成形方面还面临诸多具有挑战性的且亟待突 FDM)是一种基于材料挤出的3D打印工艺，FDM具 破的技术难题[9-12] 有材料利用率高、成本低、工艺简单、清洁生产等显 传统熔融沉积成型工艺成形精度低、打印材料 著特点和优势，它是目前应用和普及最为广泛的一 受限：基于EHD的熔融沉积成型工艺难以实现三维 种3D打印工艺，FDM已经在航空航天、家电、汽车、 和大尺寸构件的制造.为了解决这些问题，迫切需 生物医疗、模具、教育、文化等诸多领域得到非常广 要开发新型熔融沉积成型高分辨率3D打印技术， 泛的应用-).但是，现有的DM技术还面临许多 实现熔融沉积高分辨率、低成本，大尺寸3D制造. 挑战性难题：打印精度低，表面质量差、可打印材料 1电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 种类有限.全球领先的FDM设备提供商美国Strata- 基本原理和打印模式 sys公司最先进的Fortus90OMC3D打印机目前能达 到的精度为±0.O89mm.FDM加工精度的进一步提 1.1基本原理 高受到分层厚度、打印喷嘴尺寸、材料性能、设备精 本文提出一种电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 度等诸多因素的影响和制约4-).理论上，采用更小 3D打印新工艺，如图1所示.该工艺的基本成形原 的喷嘴尺寸，能够实现更高分辨率打印，但是已有的 理和工作过程：(1)打印材料在储料筒内预加热（料 研究结果证实，随着喷嘴内径尺寸减小，喷嘴内的压 筒加热器)，加热到熔融态（根据打印材料的熔点， 力呈指数型增加，需要克服非常大的熔滴表面张力 设定工作温度，开启储料筒环形加热器加热，直至储 和黏滞力，对于高黏度熔融材料的挤出更为困难，尤 料筒内打印材料处于完全熔融状，并根据热电偶检 其当喷嘴尺寸小于100um,传统气压/螺杆型FDM 测结果，一旦达到设定的温度，便使储料筒环形加热 工艺几乎无法实现挤出成型. 器由加热模式转换为保温模式，维持储料筒内打印 电流体动力(Electrohydrodynamics,EHD)喷射 材料的温度，使材料保持熔融态)：(2)利用所施加 打印是近年出现的一种高分辨率喷射沉积成型技 的背压（气压或者螺杆挤出压力等）将熔融态打印 术（微纳尺度打印工艺），其打印分辨率不受喷嘴 材料挤压到喷嘴，通过精确控制喷嘴处温度（喷嘴 尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现微 加热器)使材料从熔融态变为易喷射打印状态，打 尺度、亚微尺度、甚至纳米尺度结构的制造，而且 印材料在背压和表面张力等作用下从喷嘴末端（针 可用于制造的材料种类非常广泛[6-8].基于EHD 头针尖)挤出并呈弯液面形状（半球形）：(3)开启高 的熔融沉积成形主要有两种工艺：（近场）静电纺 压脉冲电源，导电喷嘴与高压电源正极连接，喷嘴内 丝直写、热熔融电喷印.（近场）静电纺丝直写工 的材料被极化，表面带有正电荷，导电喷嘴靠近基板 艺使用高压直流电源，基于纤维（连续微细丝）成 时（导电和非导电基材均能使用），由于喷嘴与基板 型，但是静电纺丝直写成型是基于不稳定“鞭动效之间的静电感应作用，导致基板电荷重新分布，负电 应”，工艺可控性差，难以实现三维结构可控制造. 荷分布在基板上表面，正电荷分布在基板的下表面， 热熔融电喷印通常采用高压脉冲电源，基于按需 因此在喷嘴处的材料与基板之间形成电场：(4)弯 喷射微熔滴喷射成型，工艺可控性好.但是现有的 液面在电场力、黏滞力、表面张力等共同作用下被逐 热熔融电喷印工艺存在诸多的不足和局限性，例 渐拉伸变形，形成泰勒锥，随着施加在喷嘴上电压的赵佳伟等: 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 method that meets the requirements of the high鄄resolution FDM process at low cost. The new technolgy proposed in this paper offers a novel solution for realizing high鄄resolution and macro / micro鄄scale fused鄄jet deposition 3D printing at low cost with good material univer鄄 sality. KEY WORDS high鄄resolution 3D printing; electric鄄field鄄driven jetting; double heating nozzle; fused deposition modeling; micro / nano鄄additive manufacturing 增材制造(亦称为 3D 打印)技术是 20 世纪 80 年代中期发展起来的一种新型制造技术,受到工业 界的极大关注. 美国麦肯锡咨询公司发布的“展望 2025冶报告中将 3D 打印列入决定未来经济发展的 12 大颠覆性技术之一. 英国《经济学人》认为它将 “与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业 革命冶. 熔融沉积成型( Fused Deposition Modeling, FDM)是一种基于材料挤出的 3D 打印工艺,FDM 具 有材料利用率高、成本低、工艺简单、清洁生产等显 著特点和优势,它是目前应用和普及最为广泛的一 种 3D 打印工艺,FDM 已经在航空航天、家电、汽车、 生物医疗、模具、教育、文化等诸多领域得到非常广 泛的应用[1鄄鄄3] . 但是,现有的 FDM 技术还面临许多 挑战性难题:打印精度低,表面质量差、可打印材料 种类有限. 全球领先的 FDM 设备提供商美国 Strata鄄 sys 公司最先进的 Fortus 900MC 3D 打印机目前能达 到的精度为 依 0郾 089 mm. FDM 加工精度的进一步提 高受到分层厚度、打印喷嘴尺寸、材料性能、设备精 度等诸多因素的影响和制约[4鄄鄄5] . 理论上,采用更小 的喷嘴尺寸,能够实现更高分辨率打印,但是已有的 研究结果证实,随着喷嘴内径尺寸减小,喷嘴内的压 力呈指数型增加,需要克服非常大的熔滴表面张力 和黏滞力,对于高黏度熔融材料的挤出更为困难,尤 其当喷嘴尺寸小于 100 滋m,传统气压/ 螺杆型 FDM 工艺几乎无法实现挤出成型. 电流体动力(Electrohydrodynamics,EHD) 喷射 打印是近年出现的一种高分辨率喷射沉积成型技 术(微纳尺度打印工艺) ,其打印分辨率不受喷嘴 尺寸的限制,能在喷嘴不易堵塞的前提下,实现微 尺度、亚微尺度、甚至纳米尺度结构的制造,而且 可用于制造的材料种类非常广泛[6鄄鄄8] . 基于 EHD 的熔融沉积成形主要有两种工艺:(近场) 静电纺 丝直写、热熔融电喷印. ( 近场) 静电纺丝直写工 艺使用高压直流电源,基于纤维(连续微细丝) 成 型,但是静电纺丝直写成型是基于不稳定“鞭动效 应冶 ,工艺可控性差,难以实现三维结构可控制造. 热熔融电喷印通常采用高压脉冲电源,基于按需 喷射微熔滴喷射成型,工艺可控性好. 但是现有的 热熔融电喷印工艺存在诸多的不足和局限性,例 如喷头和基板( 打印床) 的高度一般不超过 5 mm (否则难以形成稳定的锥射流) ,因此打印件的成 形高度通常被限定在5 mm以内,而且对基板(或者 已成形结构)平整性和导电性等有许多的限制,难 以实现共形和曲面 3D 打印. 因此,尽管基于 EHD 的熔融沉积成型能够实现高分辨打印,但是在 3D 结构成形方面还面临诸多具有挑战性的且亟待突 破的技术难题[9鄄鄄12] . 传统熔融沉积成型工艺成形精度低、打印材料 受限;基于 EHD 的熔融沉积成型工艺难以实现三维 和大尺寸构件的制造. 为了解决这些问题,迫切需 要开发新型熔融沉积成型高分辨率 3D 打印技术, 实现熔融沉积高分辨率、低成本,大尺寸 3D 制造. 1 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D 打印 基本原理和打印模式 1郾 1 基本原理 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,如图 1 所示. 该工艺的基本成形原 理和工作过程:(1)打印材料在储料筒内预加热(料 筒加热器),加热到熔融态(根据打印材料的熔点, 设定工作温度,开启储料筒环形加热器加热,直至储 料筒内打印材料处于完全熔融状,并根据热电偶检 测结果,一旦达到设定的温度,便使储料筒环形加热 器由加热模式转换为保温模式,维持储料筒内打印 材料的温度,使材料保持熔融态);(2)利用所施加 的背压(气压或者螺杆挤出压力等)将熔融态打印 材料挤压到喷嘴,通过精确控制喷嘴处温度(喷嘴 加热器)使材料从熔融态变为易喷射打印状态,打 印材料在背压和表面张力等作用下从喷嘴末端(针 头针尖)挤出并呈弯液面形状(半球形);(3)开启高 压脉冲电源,导电喷嘴与高压电源正极连接,喷嘴内 的材料被极化,表面带有正电荷,导电喷嘴靠近基板 时(导电和非导电基材均能使用),由于喷嘴与基板 之间的静电感应作用,导致基板电荷重新分布,负电 荷分布在基板上表面,正电荷分布在基板的下表面, 因此在喷嘴处的材料与基板之间形成电场;(4) 弯 液面在电场力、黏滞力、表面张力等共同作用下被逐 渐拉伸变形,形成泰勒锥,随着施加在喷嘴上电压的 ·653·