《Additive Manufacturing》：Bridging Step-Edges and Cross-Surface Geometries via Aerosol Jet Printing with a 45° Angled Nozzle for Conformal Electronics
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摘要气溶胶喷射（AJ）打印是一种有前途的增材制造技术，可用于制造高分辨率的功能结构；然而，传统的直喷嘴配置要求喷嘴与基底之间严格的正交对齐，这限制了其在适应性图案化、台阶边缘和跨表面几何形状中的应用。在这项工作中，提出了一种45°倾斜的喷嘴，能够在垂直、倾斜和跨平面表面上实现稳定
摘要
气溶胶喷射（AJ）打印是一种有前途的增材制造技术，可用于制造高分辨率的功能结构；然而，传统的直喷嘴配置要求喷嘴与基底之间严格的正交对齐，这限制了其在适应性图案化、台阶边缘和跨表面几何形状中的应用。在这项工作中，提出了一种45°倾斜的喷嘴，能够在垂直、倾斜和跨平面表面上实现稳定且不受角度影响的AJ打印，而无需倾斜喷嘴或额外的多轴运动系统。通过计算流体动力学（CFD）模拟系统研究了倾斜喷嘴的气流和颗粒传输特性，并结合沉积形态和电性能的实验验证。结果表明，基底倾斜会改变水平近壁流动和相应的沉积几何形状，但垂直方向几乎保持不变。工艺参数，包括喷嘴到基底的距离、载气流量和聚焦比，可以通过调节颗粒聚焦和分散行为显著影响线条形态。实验结果表明，在广泛的基底倾斜角度范围内，可以实现稳定且连续的导电迹线，电阻率仅有轻微变化。此外，所提出的喷嘴配置已成功应用于跨表面互连、顺应性温度传感器和受限几何结构内的加热结构，展示了其在台阶边缘和跨表面几何形状上制造功能性设备的能力。这项研究为简化工具路径设计并在复杂的三维环境中实现顺应性AJ打印提供了一种通用且实用的方法，从而扩展了AJ打印在先进增材制造和印刷电子领域中的应用。
引言
电子产品的顺应性制造是一种新兴范式，它能够直接将电子功能集成到复杂的非平面表面上，通过提供更大的设计自由度、更优越的集成能力和对复杂几何形状的前所未有的适应性，超越了传统的制造方法[1],[2]。传统的制造技术主要受限于刚性平面基底[3],[4]，并且通常涉及高温、真空环境和多个光刻步骤等加工条件[5]，这些条件限制了它们与不规则几何形状和动态基底的兼容性。相比之下，顺应性制造策略利用转移打印[6],[7]、直接书写[8],[9]和混合集成[10],[11]，直接在各种刚性、柔性、静态或可变形基底上制造或转移电子设备[12]，使设备能够无缝适应复杂的3D几何形状[13],[14]。这种能力使得一系列应用成为可能，包括可穿戴系统[15],[16]、生物集成设备[17]、结构健康监测[18]和软体机器人[19]，在这些应用中，电子设备与其基底之间的无缝机械和功能集成至关重要。
在各种顺应性制造技术中，气溶胶喷射（AJ）打印作为一种非接触式直接书写过程，因其能够以高分辨率和精度沉积各种功能性材料而受到广泛关注[20],[21],[22]。AJ打印能够在6–20微米的范围内制造高分辨率特征，并支持多种墨水材料[23],[24],[25],[26]。该过程包括生成气溶胶化的墨水流，然后通过空气动力学聚焦将气溶胶滴集中成狭窄的喷射流以进行材料沉积[27]。利用空气动力学聚焦，AJ打印可以在1–5毫米的工作距离内精确沉积电子墨水，从而在平面和地形复杂的基底上制造高分辨率特征[28],[29]。AJ打印已广泛应用于导电互连[30],[31]、传感器[32],[33],[34]、天线[35],[36]、储能设备[37],[38]和生物应用[39],[40]的制造中。
尽管具有这些优势，但大多数报道的研究都集中在平面或外部弯曲表面上[41]，而在方向显著不同的表面上直接制造连续电路仍然具有挑战性[42]。现有方法通常依赖于倾斜直喷嘴或整个打印头来保持有利的沉积角度，从而实现在垂直表面上制造连续的导电迹线[43],[44],[45]。然而，在喷嘴运动受限的受限或难以进入的空间中，这种方法难以实施，同时还需要五轴运动系统。另外，一些研究引入了额外的制造步骤来在不同层次的表面之间创建倒角过渡结构[46]，为电连接提供了一条渐进路径。尽管有效，但这些方法增加了制造复杂性并限制了设计灵活性。关于倾斜AJ打印的先前研究表明，将直喷嘴与基底之间的角度从正交（90°）减小到倾斜沉积条件可以改变打印迹线的形态[41],[42]，包括其线宽（LW）和横截面轮廓。尽管如此，仍然可以在相对宽的角度范围内生产出稳定的导电线，特别是在90°和45°之间。这一特性表明AJ打印对沉积角度的变化具有一定的容忍度，表明在不严格保持正交的情况下可以进行跨表面打印。一个剩余的挑战是开发一种简单有效的策略，在不同方向的表面上制造连续的导电电路，特别是在难以实施传统喷嘴倾斜方法的受限内部几何结构中。
在这项工作中，提出了一种基于45°倾斜喷嘴的桥接台阶边缘和跨表面顺应性打印策略，利用了AJ打印的耐角度沉积特性，如图1所示。无需倾斜整个打印头，所提出的喷嘴能够在0°到90°的倾斜角度范围内直接打印表面。通过实验系统研究了基底倾斜对打印导电迹线的形态和电性能的影响。此外，还分析了包括喷嘴到基底的距离、载气流量和聚焦比在内的关键工艺参数的影响。结合离散相模型（DPM）的CFD模拟揭示了倾斜喷嘴内和倾斜表面上的载气流动特性和颗粒传输行为[29],[47]。最后，通过几个跨表面顺应性电子设备的演示验证了所提出方法的能力。所提出的45°倾斜喷嘴在保持固定喷嘴方向的同时重新导向气溶胶喷射流，减少了喷嘴重新定向的需求，并简化了在不同方向表面上打印的工具路径规划。与使用倒角辅助的过渡策略不同，它能够在不进行额外基底修改的情况下直接在现有台阶边缘上进行沉积，从而提高了在受限三维结构中的可访问性（补充信息图S1 和表S1）。因此，这种策略为跨表面顺应性电子制造提供了一条简单有效的途径，具有在几何形状复杂的表面上集成功能性电子设备的巨大潜力。
章节片段
油墨和材料
本研究中使用了市面上销售的银纳米颗粒墨水（Metalon? JS-A221AE，NovaCentrix）进行AJ打印。这种水基墨水含有约50%的银纳米颗粒，粘度为10-20厘泊。它专为超声波雾化优化设计，与基于溶剂的替代品相比，具有更好的环境适应性和加工便利性。该墨水可实现高分辨率的导电特征沉积，具有出色的粘附性和电性能
计算流体动力学
在AJ打印过程中，鞘气体和载气体流之间会发生复杂的空气动力学相互作用，而气溶胶颗粒则经历传输、偏转、空气动力学聚焦，最终在45°倾斜的喷嘴内沉积。由于几何结构受限和气体流速高，这些微观现象难以直接观察。因此，建立了一个3D CFD模型来研究从入口区域到......的耦合气体-颗粒传输过程
结果与讨论
虽然许多AJ打印应用通常使用与喷射方向正交的直喷嘴，但在倾斜表面上进行图案化时，这种配置需要全局倾斜打印头[43],[44],[45]。在受限几何结构中，如旋转或封闭结构内部，这一限制更加严重，严重的空间干扰显著限制了工具的访问性。先前的研究表明，适度的
结论与未来工作
本研究通过结合数值分析和系统打印实验，研究了使用45°倾斜喷嘴在倾斜和交叉倾斜表面上进行顺应性沉积的AJ打印。通过整合CFD分析和系统打印实验，阐明了基底倾斜和关键工艺参数在控制气溶胶传输和沉积行为中的作用。结果表明，倾斜喷嘴配置能够在广阔的范围内实现稳定且连续的材料输送
CRediT作者贡献声明
Xin Shen：软件、数据整理。Chenglin Yi：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。Shenyao Liu：正式分析、数据整理。Kaifu Zhang：方法论、概念化。Hui Cheng：资源、资金获取、概念化。Ziwu Chen：方法论、数据整理。Zhenxiang Xiong：写作 – 初稿、方法论、调查、数据整理。Yingjie Niu：软件、调查、数据整理。Ao Li：方法论、调查。Ye Wu：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4609103）和中国国家自然科学基金（项目编号U24A20131）的支持。作者还感谢西北工业大学飞机高性能装配重点实验室在AJ打印设备方面提供的支持。
Zhenxiang Xiong|Ziwu Chen|Ao Li|Yingjie Niu|Wenao Ye|Ye Wu|Xin Shen|Shenyao Liu|Chenglin Yi|Hui Cheng|Kaifu Zhang
