.658. 工程科学学报，第41卷，第5期 印，适用电压范围较宽，打印微细丝质量受电压升高 宽会相应减小.其原因是：打印材料沉积到基板上 影响较小，打印过程相对较为稳定 后，由于材料与基板的黏附作用，会对微细丝产生一 3.4.2打印速度 种拉力（黏性拖拽力），而黏性拖拽力会将微细丝拉 打印速度（工作台移动速度）对于打印图形线 伸，使细丝均匀变细，且微细丝由于韧性较好在一定 宽尺寸有着重要的影响.实验打印参数：使用内径 范围内不会因为打印速度的增加而断开.当打印速 250μm武藏式针头，储料筒温度95℃，针头温度度过低时，黏性拖拽力所导致的拉力作用较小，对于 100℃，针尖距离底板距离200μm,施加电压 线宽的影响较小.因此，随着打印速度的增大，由黏 1200V,打印速度分别0.5、1、5、10、20、30、40和 性拖拽力所导致的拉力逐渐增大，在确保其不被拉 50mms1,打印结果如图7，线宽测量工具为 断的前提下，线宽会随打印速度的增加而减小.通 OLYMPUS DSX510高精度光学显微镜.由打印的结 过多组对比试验，得出线宽随打印速度变化关系以 果可知，在打印工艺窗口内，随着打印速度增大，线 及相同打印速度下的线宽变化范围，如图8所示. 100um 0.5mms1mm·s5mms-110mms20mm·s30mms-40mm·s-J50mms- 图7工作台速度对于打印线图案的影响和规律 Fig.7 Influence and rule of stage speed for the print line pattern 素影响微熔滴尺寸.此外，通过脉冲波形与打印速 50 度相配合，能够实现图案化精确可控打印和按需喷 4 100 pm 射喷印 0 4案例研究 30 通过三个典型的实际打印案例，展示电场驱动 20 熔融喷射沉积高分辨率3D打印在大尺寸和高分辨 15 10 率3D打印方面的潜能，以及宏/微跨尺度结构一体 1001 化制造的显著优势 0510152025303540455055 4.1大尺寸微尺度模具 打印速度/(mm·g少 大尺寸微尺度模具是微纳米压印、软光刻等诸 图8线宽随打印速度变化规律 多领域最重要的工艺要素，然而如何实现大尺寸微 Fig.8 Variation of line width with printing speed 纳尺度模具的高效、低成本制造一直是学术界和产 3.5脉冲锥射流打印模式打印实验结果与分析 业界所面临的一项挑战性难题.传统的光学光刻等 使用脉冲锥射流打印模式打印80号微晶蜡，实 制造方法存在生产成本高、周期长的问题，尤其是目 验打印工艺参数：使用内径250um武藏式针头，储 前几乎无法实现8英寸以上无拼接大尺寸微纳模具 料筒温度为75℃，针头温度为80℃，脉冲频率为 (母版)制造，限制了这些技术普及和应用.以PCL、 1Hz.施加电压为2300V,打印的图案如图9所示. PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等为打印材料，采用电 脉冲锥射流打印模式打印低黏度材料时，熔体 场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印，提供了一 以微熔滴形式沉积到基板上，通过调节频率和占空 种大尺寸无拼接微尺度模具快速、低成本制造的新 比，控制单脉冲时间，实现每个脉宽打印一个微液滴 方法.图10是制造的线栅结构微尺度大模具，模具 按需打印，单脉冲时间、背压以及打印喷嘴尺径等因 尺寸80mm×80mm,线宽4m,周期200μm,图形工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 印,适用电压范围较宽,打印微细丝质量受电压升高 影响较小,打印过程相对较为稳定. 3郾 4郾 2 打印速度 打印速度(工作台移动速度) 对于打印图形线 宽尺寸有着重要的影响. 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 底 板 距 离 200 滋m, 施 加 电 压 1200 V,打印速度分别 0郾 5、1、5、10、20、30、40 和 50 mm·s - 1 ,打 印 结 果 如 图 7, 线 宽 测 量 工 具 为 OLYMPUS DSX510 高精度光学显微镜. 由打印的结 果可知,在打印工艺窗口内,随着打印速度增大,线 宽会相应减小. 其原因是:打印材料沉积到基板上 后,由于材料与基板的黏附作用,会对微细丝产生一 种拉力(黏性拖拽力),而黏性拖拽力会将微细丝拉 伸,使细丝均匀变细,且微细丝由于韧性较好在一定 范围内不会因为打印速度的增加而断开. 当打印速 度过低时,黏性拖拽力所导致的拉力作用较小,对于 线宽的影响较小. 因此,随着打印速度的增大,由黏 性拖拽力所导致的拉力逐渐增大,在确保其不被拉 断的前提下,线宽会随打印速度的增加而减小. 通 过多组对比试验,得出线宽随打印速度变化关系以 及相同打印速度下的线宽变化范围,如图 8 所示. 图 7 工作台速度对于打印线图案的影响和规律 Fig. 7 Influence and rule of stage speed for the print line pattern 图 8 线宽随打印速度变化规律 Fig. 8 Variation of line width with printing speed 3郾 5 脉冲锥射流打印模式打印实验结果与分析 使用脉冲锥射流打印模式打印 80 号微晶蜡,实 验打印工艺参数:使用内径 250 滋m 武藏式针头,储 料筒温度为 75 益 ,针头温度为 80 益 ,脉冲频率为 1 Hz. 施加电压为 2300 V,打印的图案如图 9 所示. 脉冲锥射流打印模式打印低黏度材料时,熔体 以微熔滴形式沉积到基板上,通过调节频率和占空 比,控制单脉冲时间,实现每个脉宽打印一个微液滴 按需打印,单脉冲时间、背压以及打印喷嘴尺径等因 素影响微熔滴尺寸. 此外,通过脉冲波形与打印速 度相配合,能够实现图案化精确可控打印和按需喷 射喷印. 4 案例研究 通过三个典型的实际打印案例,展示电场驱动 熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印在大尺寸和高分辨 率 3D 打印方面的潜能,以及宏/ 微跨尺度结构一体 化制造的显著优势. 4郾 1 大尺寸微尺度模具 大尺寸微尺度模具是微纳米压印、软光刻等诸 多领域最重要的工艺要素,然而如何实现大尺寸微 纳尺度模具的高效、低成本制造一直是学术界和产 业界所面临的一项挑战性难题. 传统的光学光刻等 制造方法存在生产成本高、周期长的问题,尤其是目 前几乎无法实现 8 英寸以上无拼接大尺寸微纳模具 (母版)制造,限制了这些技术普及和应用. 以 PCL、 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等为打印材料,采用电 场驱动熔融喷射沉积高分辨率 3D 打印,提供了一 种大尺寸无拼接微尺度模具快速、低成本制造的新 方法. 图 10 是制造的线栅结构微尺度大模具,模具 尺寸 80 mm 伊 80 mm,线宽 4 滋m,周期 200 滋m,图形 ·658·