基于电压偏置电场驱动熔融射流打印的高填充率点阵三维微结构

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：High-fill dot-based 3D microscale structures via voltage bias electric-field-driven fused-jet printing

　　**摘要要点**• 偏差波形有助于液滴在小间距下精确沉积。• 受自然启发的镜像对称打印引导液滴到达目标位置。• 通过可控液滴构建密集微尺度三维结构。**引言**按需滴液（DOD）喷射技术[1]、[2]是一种快速原型制造3D打印技术，通过微纳尺度液滴喷射实现高精度和高速材料沉积。由于其非接触打印特性，显著提升了打印精度和速度[3]。与光刻、激光、电子束等技术相比，DOD技术具有低成本、快速原型制造、高精度图案化和非接触无污染等优势。因此，它在柔性微电子[4]、[5]、太阳能电池[6]、[7]、光电器件[8]、[9]、生物传感器[10]、[11]、微流控检测[12]和集成电路[13]等领域获得了广泛关注。Duran等人[14]利用FDM打印模具和PDMS复制制备了两亲性再入表面，强调了特征几何形状对润湿行为的影响。在金属微滴沉积方面，Qi等人[15]开发了一种扫描步长选择方法以优化液滴重叠并提高器件质量。Chao等人[16]展示了微细壁金属零件的制备，Luo等人[17]提出了交替液滴打印以获得均匀金属轨迹，Hu等人[18]展示了水锤驱动的按需金属液滴喷射。其他DOD技术包括阀控喷射、压电喷射[19]、气泡喷射[20]和电动力学（EHD）喷射。Wang等人[21]研究了液滴温度和尺寸对液滴固化过程中偏析的影响。喷嘴上部的喷射行为，液滴与喷嘴直径比取决于驱动机制和工艺条件，实验证明可以喷射小于喷嘴直径的金属液滴[22]。Su等人[23]的最新工作进一步证明了工艺参数控制在抑制微复杂镁合金零件增材制造中蒸发诱导缺陷方面的重要性。同时，EHD喷射[24]是一种基于EHD原理的直接打印技术，用于高分辨率微米尺度制造，已在更广泛的领域展示了其优势和制造能力。在EHD喷射过程中，在喷嘴与基底之间施加外部电场，使自由离子在弯月面处积聚[25]。静电力超过表面张力，使液滴能够喷出并沉积在基底表面。作为典型的增材制造工艺，EHD打印方法能够以DOD方式沉积和图案化功能材料，实现点线面分步制造的精确控制。沉积的液滴突破了喷嘴的限制，其直径比喷嘴直径小一个数量级，实现了更好的微结构和微纳尺度特征打印分辨率。然而，在打印过程中，电动力学喷射沉积仍存在许多挑战。由于电动力学打印是一个涉及多参数、多介质和多场耦合的复杂动态过程，且关键界面流体液滴形成环节存在不确定性，电场力虽然能够实现高分辨率打印，但也引入了不确定性[26]。Guan等人[27]采用数值模拟方法研究了高频（1 kHz）脉冲电动力学喷射的特性。通过分析相界面处的电荷运动，系统研究了低Bond数下弯月面处场强的变化，并采用可渗透介电模型计算电场和表面电荷密度。对于直流驱动的脉冲喷射，产生的液滴尺寸和频率相互耦合，且高度依赖于施加电压[28]、[29]。Tan等人[30]研究了EHD嵌丝打印中低粘度油墨的残余电荷效应对喷射行为的影响，强调了打印过程中需要考虑电荷积累。为克服这一限制，一些研究人员将激励波形修改为脉冲交流电压来解决此问题[31]、[32]。之前的残余电荷可被后续带有相反电荷极性的液滴中和，使得在高度绝缘基底上打印成为可能。通过缩短施加电压的持续时间，可显著减小沉积点直径。Schneider等人[33]发现，通过将交流脉冲持续时间从1024 μs减少到1 μs，纳米颗粒尺寸从33 nm减小到6 nm。Li等人[34]通过在每次液滴喷射末端添加额外电压脉冲来优化激励波形，以快速消除打印过程中的残余振荡。利用喷射状态的弯月面模拟模型和强阻尼振荡理论模型，他们确定了优化波形的特征持续时间和所需电压值。尽管之前的波形优化研究改善了弯月面稳定性和液滴形成，但它们主要针对喷射阶段，未能完全解决高填充、小间距打印中沉积历史引起的偏差问题。特别是，已沉积的特征可能扰动局部电场并使后续液滴偏转，从而促进桥连并降低图案保真度（见补充信息表S1）。本研究开发了一种电场驱动（EFD）按需滴液打印策略，用于高填充微尺度沉积，通过联合调控液滴生成和沉积。一种包含低电压保持区的偏差波形在低频打印时稳定弯月面，而镜像对称沉积和预设偏移打印则在密集沉积期间减轻电场引起的着陆偏差。在低频打印时，脉冲间隔期间的电荷弛豫可能导致初始弯月面状态不稳定并损害喷射一致性。为解决这一限制，引入了一种包含低电压保持区的偏差波形，以补偿电荷耗散并在连续喷射周期之间稳定弯月面。在小间距沉积期间，已沉积的液滴可能扭曲局部电场并引起横向着陆偏差，从而促进桥连并降低图案保真度。因此，受辫状河流分流流动的启发，将镜像对称打印和预设偏移打印相结合，根据局部几何对称性调控沉积。镜像对称沉积用于平衡局部对称区域中的横向电场分量，而预设偏移则用于补偿不可避免的不对称区域。这种协同策略同时改善了喷射一致性和沉积精度，将最小打印间距减少了36%，并实现了高填充多层结构。所提出的方法旨在作为传统高通量喷墨打印的补充途径，特别适用于小间距沉积和多层结构。**章节摘要****实验装置**图1a展示了集成的EFD-DOD打印系统及其主要功能模块，包括温度控制模块、高压电源、主控模块和温控打印平台。打印材料通过环形加热器（T25，江苏中科有限公司，中国江苏）加热至熔融状态，精确控制温度以实现最佳打印粘度。气动压力控制单元（IR2000，SMC Corporation）**高填充EFD-DOD打印的双优化策略**为实现微尺度下稳定的微液滴喷射，将打印过程分解为两个部分：微液滴喷射和微液滴沉积，两者均可独立控制。在高分辨率和高密度打印中，已沉积的液滴可局部改变基底几何形状和电场边界条件，从而扭曲空间电场分布并导致后续液滴偏离设计位置。**结论**本研究开发了一种集成的EFD-DOD打印策略，将偏差波形控制与镜像对称沉积和预设偏移路径规划相结合，以制造高填充点基微尺度结构。该策略解决了两个相互关联的挑战：在低频液滴生成期间维持弯月面稳定，以及补偿已沉积材料引起的局部电场畸变。数值分析和打印实验将这两种机制联系起来。**CRediT作者贡献声明****王梦杰：** 撰写–审稿与编辑，数据整理。**张光明：** 经费获取，形式分析，概念构思。**李一南：** 资源，经费获取，概念构思。**盛巡豪：** 调查研究，形式分析。**宋道森：** 调查研究，形式分析。**段培凯：** 调查研究，形式分析。**兰洪波：** 资源，经费获取，概念构思。**利益冲突声明**作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。**致谢**本项目受国家自然科学基金（项目编号：52275345、52575406）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023ME194、ZR2020ZD04）、山东省高校优秀青年创新团队支持计划（2021KJ044）以及青岛市自然科学基金（24–4–4-zrjj-171-jch）资助。我们衷心感谢彭子龙教授在本研究中的指导与支持。**作者：** 王梦杰 | 张光明 | 李一南 | 盛巡豪 | 宋道森 | 段培凯 | 兰洪波