656. 工程科学学报，第41卷，第5期 对双加热模块一体化控制（温度）集成喷头进 的材料性能参数如表1. 行热场分析，设置环形加热器温度为80℃，喷嘴加 表1聚己内酯(P℃L)材料性能参数 热器为110℃，打印材料熔体在加热喷头中温度分 Table 1 Performance parameters of polycaprolactone (PCL)material 布如图3(b)所示.环形加热器及喷嘴加热器设置 性能参数 数值 不同的加热温度，环形加热器对打印材料进行预加 分子量 40000 热，加热温度略低于喷嘴加热器.当加热稳定后，喷 密度(25℃)/(gml1) 1.146 嘴温度明显高于料筒温度，且呈梯度递增，这就使得 熔点/℃ 59-64 材料在喷头内逐步加热，最终达到所需打印温度 熔融黏度/(dL·g1) 11.25 这样有利于更好的控制打印材料在喷嘴处的温度， 熔融指数范围（每10mim)/g 7.328 进而稳定调控打印材料因加热温度波动而造成的黏 度变化.因此，双加热模块一体化控制（温度）集成 当采用传统热熔融电纺丝工艺打印PCL材料 喷头更有利于提高打印精度、质量和可控性. 时，通常将PCL制成溶液，且加热温度通常需要达 到240℃，而P℃L材料的分解温度为200℃，因此纺 3实验研究 丝温度高于分解温度，导致打印时出现高温分解，纺 3.1实验装置 出的细丝呈土黄色，出现相互黏结现象.如果在 搭建电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 200℃时打印，由于此时PCL熔体的黏度非常高，即 实验装置，通过具体实验，证明所提出的3D打印工 使提高打印电压，减小打印距离（当电压过高且接 艺和工作模式的正确性和有效性，并揭示主要工艺 收距离过小时，空气将被击穿放电)，也难以打印出 参数对于3D打印的影响及其规律.实验装置如图 较为细小光滑的PCL微纳米纤维.此外，电纺丝要 4所示，它包括的主要功能单位：打印喷头模块、运 求基底为导电材料作为另外一个电极对.对于 动模块、打印平台模块、高压脉冲电源模块、背压控 P℃L,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印技术 制模块、观测模块（高速摄像机）等.其中运动模块 的打印温度远低于电纺丝温度.但材料处于初步熔 包含X、Y、Z三轴运动平台，打印平台为带有加热功 化状态时，在打印过程中，喷嘴处熔体易固化，造成 能的真空吸附盘，打印喷头模块包括环形加热器、喷 喷嘴堵塞，因此打印温度一般在80~120℃之间. 嘴（针头）加热块、储料筒、打印喷嘴（针头）、喷嘴热 实验3D打印石蜡材料性能参数如表2.石蜡 电偶、储料筒热电偶、金属适配器以及温控系统，导 材料熔点较低，且熔融态的石蜡熔体黏度非常低，与 电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，温控系统包括两 PCL材料黏度相差非常大. 个温控器，分别控制环形加热器和喷嘴加热块.其 表2石蜡(80号微品蜡)材料性能参数 中喷嘴加热器置于最下端，用于加热喷嘴，在其中设 Table 2 Performance parameters of paraffin wax (80 microcrystalline 置喷嘴热电偶，喷嘴（打印针头）与储料筒相连接， wax） 打印材料置于储料筒内部，环形加热器置于储料筒 性能参数 数据 外部且包裹在储料筒外壁上.利用观测模块观察和 分子量 650 记录实际打印过程. 密度/(gmL1) 0.80-0.92 熔点/℃ 72~82 运动模块 熔融黏度/(mm2·sl) 10~20 喷头模块 控制柜 熔融指数范围 高速摄像机 高压电源 3.3喷嘴处熔滴动态变化和演化过程 利用高速摄像机(iSpeed-.221),实时观测电场 图4电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印实验装置照片 驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印具体实现过 Fig.4 Experimental setup of high-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jetting 程.图5分别给出了打印PCL和石蜡材料时，喷嘴 口处熔滴形状动态变化、演化和喷射的过程 3.2打印材料 5(a)、(b)、(c)为打印P℃L材料（连续锥射流 分别选取高黏度的聚己内酯(PCL)和低黏度的 模式)，(d)、(e)、(f)为打印石蜡材料（脉冲锥射 石蜡(80号微晶蜡)作为典型的打印实验材料.PCL 流模式).当施加一定的背压后，在喷嘴口处形成工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 对双加热模块一体化控制(温度) 集成喷头进 行热场分析,设置环形加热器温度为 80 益 ,喷嘴加 热器为 110 益 ,打印材料熔体在加热喷头中温度分 布如图 3(b)所示. 环形加热器及喷嘴加热器设置 不同的加热温度,环形加热器对打印材料进行预加 热,加热温度略低于喷嘴加热器. 当加热稳定后,喷 嘴温度明显高于料筒温度,且呈梯度递增,这就使得 材料在喷头内逐步加热,最终达到所需打印温度. 这样有利于更好的控制打印材料在喷嘴处的温度, 进而稳定调控打印材料因加热温度波动而造成的黏 度变化. 因此,双加热模块一体化控制(温度)集成 喷头更有利于提高打印精度、质量和可控性. 3 实验研究 3郾 1 实验装置 搭建电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印 实验装置,通过具体实验,证明所提出的 3D 打印工 艺和工作模式的正确性和有效性,并揭示主要工艺 参数对于 3D 打印的影响及其规律. 实验装置如图 4 所示,它包括的主要功能单位:打印喷头模块、运 动模块、打印平台模块、高压脉冲电源模块、背压控 制模块、观测模块(高速摄像机)等. 其中运动模块 包含 X、Y、Z 三轴运动平台,打印平台为带有加热功 能的真空吸附盘,打印喷头模块包括环形加热器、喷 嘴(针头)加热块、储料筒、打印喷嘴(针头)、喷嘴热 电偶、储料筒热电偶、金属适配器以及温控系统,导 电喷嘴与高压脉冲电源正极相连,温控系统包括两 个温控器,分别控制环形加热器和喷嘴加热块. 其 中喷嘴加热器置于最下端,用于加热喷嘴,在其中设 置喷嘴热电偶,喷嘴(打印针头) 与储料筒相连接, 打印材料置于储料筒内部,环形加热器置于储料筒 外部且包裹在储料筒外壁上. 利用观测模块观察和 记录实际打印过程. 图 4 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印实验装置照片 Fig. 4 Experimental setup of high鄄resolution fused deposition 3D printing based on electric鄄field鄄driven jetting 3郾 2 打印材料 分别选取高黏度的聚己内酯(PCL)和低黏度的 石蜡(80 号微晶蜡)作为典型的打印实验材料. PCL 的材料性能参数如表 1. 表 1 聚己内酯(PCL)材料性能参数 Table 1 Performance parameters of polycaprolactone (PCL) material 性能参数 数值 分子量 40000 密度(25 益 ) / (g·mL - 1 ) 1郾 146 熔点/ 益 59 ~ 64 熔融黏度/ (dL·g - 1 ) 11郾 25 熔融指数范围(每 10 min) / g 7郾 3 ~ 28 当采用传统热熔融电纺丝工艺打印 PCL 材料 时,通常将 PCL 制成溶液,且加热温度通常需要达 到 240 益 ,而 PCL 材料的分解温度为 200 益 ,因此纺 丝温度高于分解温度,导致打印时出现高温分解,纺 出的细丝呈土黄色,出现相互黏结现象. 如果在 200 益时打印,由于此时 PCL 熔体的黏度非常高,即 使提高打印电压,减小打印距离(当电压过高且接 收距离过小时,空气将被击穿放电),也难以打印出 较为细小光滑的 PCL 微纳米纤维. 此外,电纺丝要 求基底为导电材料作为另外一个电极对. 对于 PCL,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印技术 的打印温度远低于电纺丝温度. 但材料处于初步熔 化状态时,在打印过程中,喷嘴处熔体易固化,造成 喷嘴堵塞,因此打印温度一般在 80 ~ 120 益之间. 实验 3D 打印石蜡材料性能参数如表 2. 石蜡 材料熔点较低,且熔融态的石蜡熔体黏度非常低,与 PCL 材料黏度相差非常大. 表 2 石蜡(80 号微晶蜡)材料性能参数 Table 2 Performance parameters of paraffin wax (80 microcrystalline wax) 性能参数 数据 分子量 650 密度/ (g·mL - 1 ) 0郾 80 ~ 0郾 92 熔点/ 益 72 ~ 82 熔融黏度/ (mm 2·s - 1 ) 10 ~ 20 熔融指数范围 3郾 3 喷嘴处熔滴动态变化和演化过程 利用高速摄像机( iSpeed鄄221),实时观测电场 驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印具体实现过 程. 图 5 分别给出了打印 PCL 和石蜡材料时,喷嘴 口处熔滴形状动态变化、演化和喷射的过程. 5( a) 、( b) 、( c)为打印 PCL 材料(连续锥射流 模式) ,( d) 、( e) 、( f) 为打印石蜡材料( 脉冲锥射 流模式) . 当施加一定的背压后,在喷嘴口处形成 ·656·