·376 工程科学学报，第40卷，第3期 相邻点间距P是点连接成线的重要参数，不仅 决定了打印图形线宽的大小，同时对于打印图形的 质量（线边缘粗糙度）也具有非常重要的影响作用. 当相邻点中心距P大于点直径D时，点呈离 散状态，无法构成连续细线. 当相邻点中心距P小于点直径D时，点与点 部分重叠形成细线.存在一个临界中心距值P, 当相邻点中心距P小于等于该值时，相互重叠的点 图2电流体动力喷射3D打印实验装置 Fig.2 Experimental set-up of electrohydrodynamic jet 3D printing 使得成型细线线宽W增加；当相邻点中心距P大于 该值，并且小于点直径D时，点与点部分重叠，成 与聚氨酯丙烯酸酯为基体，己二醇二丙烯酸酯(HD- 型细线的线宽始终等于点的直径Da DA)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)为活性 其中，相邻点中心距P由工作台移动速度v决 稀释剂，1羟基环己基苯基甲酮(184)为光引发剂， 定，可表示为， 按照合适配比均匀混合而成.材料物理性能参数如 P=号 (8) 表1所示. 当P≤P时，假设细线横截面为半球状且宽度恒 表1材料性能参数 定，则喷射出的液滴体积与细线体积相等，即 Table 1 Material performance parameter 密度/黏度(25℃)/表面张力/ Vi =.A (9) 材料 颜色 f (g.cm-3) (Pa.s) (N.m-1) 式中，A为成型细线截面积，其大小与接触角和打印 光敏聚合物无色透明 1.16 4.2 35.76×10-3 线宽有关， 4=W(0-sin6es9） (10) 3 结果与讨论 4 sin20 将式(8)和式(9)代入上式可得P≤P时成型 3.1电压 细线的线宽 电压是影响电流体动力喷射3D打印最重要的 因此，打印图形的线宽可表示为， 工艺参数，直接决定泰勒锥形成和锥射流喷射模式， 40d sin20 112 进而影响并决定打印图形的精度和质量.实验工艺 Lv(0-sin Ocos 0)] P←Ps 参数设置如下：导电喷嘴与基底距离0.4mm;占空 Wi= 240d sin'0 113 比58%；背压20kPa;脉冲频率1200Hz;Y轴工作台 mf(1-cosθ)2(2+cos8) P <P<Do 移动速度100mm·s-1.其中，形成稳定锥射流喷射 (11) 模式的初始电压为1400V.图3分别给出了在施加 不同电压条件下，相对应泰勒锥形貌（侧视图和正 2 实验装置和打印材料 视图)和所打印图形 采用自主搭建的电流体动力喷射3D打印实验 装置，如图2所示.实验中采用工艺参数如下. (1)Y轴工作台移动速度范围：0~300mm· s-1:喷头(X方向)移动速度范围0300mms1,喷 头(Z方向)移动速度范围0~200mms1. (2)高压脉冲电源：电压0~4000V;频率0~ 2000Hz:脉冲电压波形为矩形（方波）脉冲；占空比 0-99%. (3)喷嘴背压：0~10Pa 14001500V1600V170018001900V2000 (4)导电喷嘴：不锈钢针头，型号34G（约 图3不同电压下的泰勒锥形态和相应沉积图案形貌 60um). Fig.3 Morphology of Taylor cone and corresponding patterns with 打印材料为自制光敏聚合物，以环氧丙烯酸酯 different voltages工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 相邻点间距 P 是点连接成线的重要参数，不仅 决定了打印图形线宽的大小，同时对于打印图形的 质量( 线边缘粗糙度) 也具有非常重要的影响作用． 当相邻点中心距 P 大于点直径 Ddo时，点呈离 散状态，无法构成连续细线． 当相邻点中心距 P 小于点直径 Ddo时，点与点 部分重叠形成细线． 存在一个临界中心距值 Pmax， 当相邻点中心距 P 小于等于该值时，相互重叠的点 使得成型细线线宽 Wli增加; 当相邻点中心距 P 大于 该值，并且小于点直径 Ddo 时，点与点部分重叠，成 型细线的线宽始终等于点的直径 Ddo ［16］． 其中，相邻点中心距 P 由工作台移动速度 υ 决 定，可表示为， P = υ f ( 8) 当 P≤Pmax时，假设细线横截面为半球状且宽度恒 定，则喷射出的液滴体积与细线体积相等，即 Vdr = υ f ·A ( 9) 式中，A 为成型细线截面积，其大小与接触角和打印 线宽有关， A = W2 li ( θ － sin θcos θ) 4 sin2 θ ( 10) 将式( 8) 和式( 9) 代入上式可得 P≤Pmax时成型 细线的线宽． 因此，打印图形的线宽可表示为， Wli [ = 4Qd sin2 θ υ( θ － sin θcos θ ] ) 1/2 P≤P [ max 24Qd sin3 θ πf ( 1 － cos θ) 2 ( 2 + cos θ ] ) 1/3 { Pmax ＜ P ＜Ddo ( 11) 2 实验装置和打印材料 采用自主搭建的电流体动力喷射 3D 打印实验 装置，如图 2 所示． 实验中采用工艺参数如下． ( 1) Y 轴工作台移动速度范围: 0 ～ 300 mm· s － 1 ; 喷头( X 方向) 移动速度范围 0 ～ 300 mm·s － 1，喷 头( Z 方向) 移动速度范围 0 ～ 200 mm·s － 1 ． ( 2) 高压脉冲电源: 电压 0 ～ 4000 V; 频率 0 ～ 2000 Hz; 脉冲电压波形为矩形( 方波) 脉冲; 占空比 0 ～ 99% ． ( 3) 喷嘴背压: 0 ～ 105 Pa． ( 4 ) 导 电 喷 嘴: 不 锈 钢 针 头，型 号 34G ( 约 60 μm) ． 打印材料为自制光敏聚合物，以环氧丙烯酸酯 图 2 电流体动力喷射 3D 打印实验装置 Fig． 2 Experimental set-up of electrohydrodynamic jet 3D printing 与聚氨酯丙烯酸酯为基体，己二醇二丙烯酸酯( HD￾DA) 和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯( TMPTA) 为活性 稀释剂，1-羟基环己基苯基甲酮( 184) 为光引发剂， 按照合适配比均匀混合而成． 材料物理性能参数如 表 1 所示． 表 1 材料性能参数 Table 1 Material performance parameter 材料 颜色 密度/ ( g·cm － 3 ) 黏度( 25 ℃ ) / ( Pa·s) 表面张力/ ( N·m － 1 ) 光敏聚合物 无色透明 1. 16 4. 2 35. 76 × 10 － 3 3 结果与讨论 3. 1 电压 电压是影响电流体动力喷射 3D 打印最重要的 工艺参数，直接决定泰勒锥形成和锥射流喷射模式， 进而影响并决定打印图形的精度和质量． 实验工艺 参数设置如下: 导电喷嘴与基底距离 0. 4 mm; 占空 比 58% ; 背压 20 kPa; 脉冲频率 1200 Hz; Y 轴工作台 移动速度 100 mm·s － 1 ． 其中，形成稳定锥射流喷射 模式的初始电压为 1400 V． 图 3 分别给出了在施加 不同电压条件下，相对应泰勒锥形貌( 侧视图和正 视图) 和所打印图形． 图 3 不同电压下的泰勒锥形态和相应沉积图案形貌 Fig． 3 Morphology of Taylor cone and corresponding patterns with different voltages · 673 ·