.654. 工程科学学报，第41卷，第5期 增大，微熔滴外表面的电荷不断聚集，当静电力（电 电压、喷嘴与基板高度等工艺参数的控制，喷射的微 场力)超过微熔滴的表面张力时，带有正电荷的熔 熔滴/微细纤维在基板上精准沉积（根据CAD模 体从泰勒锥顶部喷射出来，形成极细的锥射流，分裂 型)，高分辨率打印出特征结构.一层截面打印完成 成微熔滴/或者连续微细纤维沉积在基板上或者已 后，打印喷头上升设定的分层高度，以已完成实体表 经成型结构上（锥射流直径通常比喷嘴内径尺寸小 面为目标打印位置，再进行下一层截面的打印，逐层 1~2个数量级)，并通过加热/紫外等方式固化成型 打印叠加，最后完成整个三维实体高分辨率快速 结构：(5)结合工作台移动速度、打印频率、占空比、 制造 电压 压缩空气 精密调压阀 时间 施加脉冲高压电 环形加热器 时间 施加直流高压电 喷端加热器2 高压电源 打印基材 图1电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印系统基本原理示意图 Fig.1 Diagram of the basic principles of high-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jetting system 1.2打印模式 维成型（与传统FDM原理类似）.此外，当连续微细 不同于现有的热熔融3D打印技术，提出的电 纤维/丝沉积到打印床（或者已成形结构）后，随着 场驱动熔融喷射高分辨率3D打印技术突破了打印 喷头的快速移动，对打印材料产生黏性拖拽力能，使 材料的限制，既能打印高黏度热熔融材料，如PCL、 微细纤维进一步拉伸变细，能够进一步提高打印分 ABS、PMMA等，也可以打印低黏度热熔融材料，如 辨率，如图2(b).此外，采用一种双加热集成式喷 石蜡等.尤其能实现颗粒状、粉末状、微纳米材料等 头，通过对储料筒和喷嘴加热温度精准调控，能够解 多种不同类型材料的打印，不需要提前加工成需要 决熔融材料打印喷头易堵、打印稳定性和连续性差、 的形状（简化成型材料制造工艺和降低制造成本）， 喷头温度精准调节困难等难题. 扩大了可供打印材料的种类和范围.根据不同打印 脉冲锥射流模式下，施加脉冲高压电源，通过控 材料性能和制件要求，提出两种全新的打印模式：脉 制单个脉冲电压作用时间控制单液滴的喷射频率。 冲锥射流模式(pulsed cone-jet mode)和连续锥射流 在该模式下，通过调节打印频率、占空比、电压、打印 模式(continuous cone-jet mode).在实际打印过程 高度等工艺参数，可实现精准微熔滴按需喷印，同 中，根据打印材料黏度、表面张力和物理性能的不时，结合打印平台的控制，实现微熔滴在基板精准沉 同，分别采用不同的打印模式。对于低黏度热塑性积，基于逐点成形实现3D打印：连续锥射流模式 材料，采用脉冲锥射流模式打印；高黏度热塑性材 下，施加直流高压电源，为打印熔体提供持续稳定的 料，采用连续锥射流模式打印.两种打印模式基于 电场力，确保射流连续喷射，结合控制背压、电压以 完全不同的成型原理，对于脉冲锥射流模式，喷射出 及平台移动速度等工艺参数，以及黏性拖拽力进一 微熔滴，通过逐点成形三维结构，如图2(a).对于 步减小微细纤维的尺寸效应，实现更高分辨率图案 连续锥射流打印模式，形成连续锥射流，通过微细纤 的连续稳定的3D打印.工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 增大,微熔滴外表面的电荷不断聚集,当静电力(电 场力)超过微熔滴的表面张力时,带有正电荷的熔 体从泰勒锥顶部喷射出来,形成极细的锥射流,分裂 成微熔滴/ 或者连续微细纤维沉积在基板上或者已 经成型结构上(锥射流直径通常比喷嘴内径尺寸小 1 ~ 2 个数量级),并通过加热/ 紫外等方式固化成型 结构;(5)结合工作台移动速度、打印频率、占空比、 电压、喷嘴与基板高度等工艺参数的控制,喷射的微 熔滴/ 微细纤维在基板上精准沉积( 根据 CAD 模 型),高分辨率打印出特征结构. 一层截面打印完成 后,打印喷头上升设定的分层高度,以已完成实体表 面为目标打印位置,再进行下一层截面的打印,逐层 打印叠加,最后完成整个三维实体高分辨率快速 制造. 图 1 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印系统基本原理示意图 Fig. 1 Diagram of the basic principles of high鄄resolution fused deposition 3D printing based on electric鄄field鄄driven jetting system 1郾 2 打印模式 不同于现有的热熔融 3D 打印技术,提出的电 场驱动熔融喷射高分辨率 3D 打印技术突破了打印 材料的限制,既能打印高黏度热熔融材料,如 PCL、 ABS、PMMA 等,也可以打印低黏度热熔融材料,如 石蜡等. 尤其能实现颗粒状、粉末状、微纳米材料等 多种不同类型材料的打印,不需要提前加工成需要 的形状(简化成型材料制造工艺和降低制造成本), 扩大了可供打印材料的种类和范围. 根据不同打印 材料性能和制件要求,提出两种全新的打印模式:脉 冲锥射流模式(pulsed cone鄄jet mode)和连续锥射流 模式( continuous cone鄄jet mode). 在实际打印过程 中,根据打印材料黏度、表面张力和物理性能的不 同,分别采用不同的打印模式. 对于低黏度热塑性 材料,采用脉冲锥射流模式打印;高黏度热塑性材 料,采用连续锥射流模式打印. 两种打印模式基于 完全不同的成型原理,对于脉冲锥射流模式,喷射出 微熔滴,通过逐点成形三维结构,如图 2( a). 对于 连续锥射流打印模式,形成连续锥射流,通过微细纤 维成型(与传统 FDM 原理类似). 此外,当连续微细 纤维/ 丝沉积到打印床(或者已成形结构) 后,随着 喷头的快速移动,对打印材料产生黏性拖拽力能,使 微细纤维进一步拉伸变细,能够进一步提高打印分 辨率,如图 2( b). 此外,采用一种双加热集成式喷 头,通过对储料筒和喷嘴加热温度精准调控,能够解 决熔融材料打印喷头易堵、打印稳定性和连续性差、 喷头温度精准调节困难等难题. 脉冲锥射流模式下,施加脉冲高压电源,通过控 制单个脉冲电压作用时间控制单液滴的喷射频率. 在该模式下,通过调节打印频率、占空比、电压、打印 高度等工艺参数,可实现精准微熔滴按需喷印,同 时,结合打印平台的控制,实现微熔滴在基板精准沉 积,基于逐点成形实现 3D 打印;连续锥射流模式 下,施加直流高压电源,为打印熔体提供持续稳定的 电场力,确保射流连续喷射,结合控制背压、电压以 及平台移动速度等工艺参数,以及黏性拖拽力进一 步减小微细纤维的尺寸效应,实现更高分辨率图案 的连续稳定的 3D 打印. ·654·