邹淑亭等：电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律 ·379· 脉冲频率1200Hz、工作台移动速度110mm·s-,能 印，如图9所示，其中(a)线宽为25μm,线间距为 够同时保证获得较小的线宽和较低的线边缘粗 150μm;(b)线宽为30um,线间距为500μm. 糙度. 本文通过观察打印过程中泰勒锥形状和尺寸变 3.5案例研究 化，结合上述工艺参数影响规律实时调整打印工艺 为了进一步验证本文提出方法和实验结果的正 参数，为电流体动力喷射3D打印喷印高分辨率、高 确性和有效性，综合考虑多个工艺因素的相互作用 质量（较低线边缘粗糙度）图案提供了一种简单易 和共同影响，开展微尺度图案典型案例的打印的实 行和切实有效的方法.同时，验证了通过调整打印 验研究.打印材料仍然采用上述研究使用的光敏聚 工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸能够实现对于 合物，导电喷嘴为不锈钢针头，型号34G(约60 打印图形精度和质量的有效控制. μm).综合考虑多个因素，优化出的工艺参数如下： 电压1500V,喷嘴与基底距离0.3mm,占空比57%， 脉冲频率1200Hz,Y轴工作台移动速度110mm· s-1,背压范围20~30kPa.图8展示了采用同一个 内径为60um针头，实现了3、7、9、12、16、20、25、 37912162025283245 28、32、45μm不同线宽图形的打印，而且打印直线 图8采用同一个内径为60μm针头打印出不同线宽(m)的 的线边缘粗糙度非常低，图形质量好.进一步观察 图形 打印过程中泰勒锥的变化来调整电压、背压、工作台 Fig.8 Different line width patterns printed with the same size of 移动速度等参数，实现了不同线宽微尺度图形的打 stainless steel nozzles (outer diameter:60 um) 100 jm 200m 图9光敏聚合物微尺度图案打印.()网格状：(b)平行条状 Fig.9 Micro patterns of photosensitive polymer materials:(a)grid pattern:(b)parallel-strip 定了电场喷射的状态，占空比过小，不能形成电场喷 4结论 射；占空比过大，射流稳定性较差，对于同一脉冲频 (1)电压是影响泰勒锥形成和喷射模式最为关 率应该选择适合的占空比 键的因素.脉冲电压增大会使得泰勒锥形状和尺寸 (3)脉冲频率和工作台移动速度相互配合共同 发生显著变化，并影响喷印图形的精度和质量（线 影响打印图形的精度（线宽）和质量（线边缘粗糙 边缘粗糙度).在初始阶段，随着电压增大，泰勒锥 度).在本研究中，对于打印图形精度，线宽随着工 由外凸状逐渐变为内凹状，线宽略微增大：随后泰勒 作台移动速度的增大逐渐变小，而脉冲频率的影响 锥锥长先略微增大而后逐渐变短，相应图形质量由 不大.对于打印图形的质量，随着工作台移动速度 好变差.因此，在打印过程中，应尽量选择合适的电 和脉冲频率的增大，打印图形线边缘粗糙度明显减 压以获得理想泰勒锥，即泰勒锥形状比较平直，半锥 小，但继续增大后，线边缘粗糙度增大.因此，理论 角接近于49.3°.本研究中1500V电压下获得的泰 上存在一个最优的脉冲频率和工作台移动速度组 勒锥接近理想泰勒锥，打印图形质量和精度较好. 合，能够一方面确保打印图形保持连续性，另一方面 (2)在确保形成稳定锥射流模式条件下，喷嘴 能够得到最小的线宽和最低的线边缘粗糙度.这是 与基底之间的距离尽可能小，以减小锥射流的非稳 实际打印所期望获得的理论最优工艺窗口 态不稳定性波动.获得较为稳定的锥射流能够确保 (4)针对本文所述的光敏聚合物打印材料和实 实现高质量和高分辨率图形打印.占空比的大小决 验装置，通过调整电压、喷印距离、占空比、工作台移邹淑亭等: 电流体动力喷射 3D 打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律 脉冲频率 1200 Hz、工作台移动速度 110 mm·s － 1，能 够同时保证获得较小的线宽和较低的线边缘粗 糙度． 3. 5 案例研究 为了进一步验证本文提出方法和实验结果的正 确性和有效性，综合考虑多个工艺因素的相互作用 和共同影响，开展微尺度图案典型案例的打印的实 验研究． 打印材料仍然采用上述研究使用的光敏聚 合物，导电喷嘴为不锈钢针头，型 号 34G ( 约 60 μm) ． 综合考虑多个因素，优化出的工艺参数如下: 电压 1500 V，喷嘴与基底距离 0. 3 mm，占空比 57% ， 脉冲频率 1200 Hz，Y 轴工作台移动速度 110 mm· s － 1，背压范围 20 ～ 30 kPa． 图 8 展示了采用同一个 内径为 60 μm 针头，实现了 3、7、9、12、16、20、25、 28、32、45 μm 不同线宽图形的打印，而且打印直线 的线边缘粗糙度非常低，图形质量好． 进一步观察 打印过程中泰勒锥的变化来调整电压、背压、工作台 移动速度等参数，实现了不同线宽微尺度图形的打 印，如图 9 所示，其中( a) 线宽为 25 μm，线间距为 150 μm; ( b) 线宽为 30 μm，线间距为 500 μm． 本文通过观察打印过程中泰勒锥形状和尺寸变 化，结合上述工艺参数影响规律实时调整打印工艺 参数，为电流体动力喷射 3D 打印喷印高分辨率、高 质量( 较低线边缘粗糙度) 图案提供了一种简单易 行和切实有效的方法． 同时，验证了通过调整打印 工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸能够实现对于 打印图形精度和质量的有效控制． 图 8 采用同一个内径为 60 μm 针头打印出不同线宽( μm) 的 图形 Fig． 8 Different line width patterns printed with the same size of stainless steel nozzles ( outer diameter: 60 μm) 图 9 光敏聚合物微尺度图案打印． ( a) 网格状; ( b) 平行条状 Fig． 9 Micro patterns of photosensitive polymer materials: ( a) grid pattern; ( b) parallel-strip 4 结论 ( 1) 电压是影响泰勒锥形成和喷射模式最为关 键的因素． 脉冲电压增大会使得泰勒锥形状和尺寸 发生显著变化，并影响喷印图形的精度和质量( 线 边缘粗糙度) ． 在初始阶段，随着电压增大，泰勒锥 由外凸状逐渐变为内凹状，线宽略微增大; 随后泰勒 锥锥长先略微增大而后逐渐变短，相应图形质量由 好变差． 因此，在打印过程中，应尽量选择合适的电 压以获得理想泰勒锥，即泰勒锥形状比较平直，半锥 角接近于 49. 3°． 本研究中 1500 V 电压下获得的泰 勒锥接近理想泰勒锥，打印图形质量和精度较好． ( 2) 在确保形成稳定锥射流模式条件下，喷嘴 与基底之间的距离尽可能小，以减小锥射流的非稳 态不稳定性波动． 获得较为稳定的锥射流能够确保 实现高质量和高分辨率图形打印． 占空比的大小决 定了电场喷射的状态，占空比过小，不能形成电场喷 射; 占空比过大，射流稳定性较差，对于同一脉冲频 率应该选择适合的占空比． ( 3) 脉冲频率和工作台移动速度相互配合共同 影响打印图形的精度( 线宽) 和质量( 线边缘粗糙 度) ． 在本研究中，对于打印图形精度，线宽随着工 作台移动速度的增大逐渐变小，而脉冲频率的影响 不大． 对于打印图形的质量，随着工作台移动速度 和脉冲频率的增大，打印图形线边缘粗糙度明显减 小，但继续增大后，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． ( 4) 针对本文所述的光敏聚合物打印材料和实 验装置，通过调整电压、喷印距离、占空比、工作台移 · 973 ·