CN114589916B - 高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 - Google Patents
高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114589916B CN114589916B CN202210052854.9A CN202210052854A CN114589916B CN 114589916 B CN114589916 B CN 114589916B CN 202210052854 A CN202210052854 A CN 202210052854A CN 114589916 B CN114589916 B CN 114589916B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nozzle
- liquid
- electric field
- substrate
- flow rate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000007639 printing Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000008021 deposition Effects 0.000 title claims abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 92
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 6
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 description 5
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 description 5
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009509 drug development Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
- B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
- B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Coating Apparatus (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
本发明公开了高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法，确定两个主要控制参数应该满足的条件，以避免打印的初始阶段出现大个液滴；这两个主要控制参数是：开始施加电压的时刻以及供液流速，液体在接触基底的最初时刻，液面形态应该是精细射流，射流直径根据需要远小于喷嘴的内径。考虑到NE‑FDM的工作原理，喷嘴处的液面在电场力的作用下，需要首先形变，形成泰勒锥；精细射流从泰勒锥的末端射出；电场通过在喷嘴和下方基底之间施加一定电压来产生，稳定的供液流速可以通过施加在熔融室的稳恒压强实现。本发明有效的避免起始阶段的大液滴，大幅缩小起始阶段的直写线宽，提高图案化分辨率和精度。
Description
技术领域
本发明针对高分辨的近场电场辅助熔融沉积直写技术中初始设置的问题，通过控制供液流速和施加电压的时刻来避免打印起点处出现大液滴的问题，属于近场电场辅助熔融沉积法的应用领域。
背景技术
熔融沉积法(FDM)是一种成熟的技术，它既可以应用于2D图案化，同时也是最常用的3D打印技术之一。它是在熔融室中熔融热塑性材料，通过气压或连续进料将熔融材料从喷嘴中挤出，控制喷嘴和下方基底相对运动，实现2D图案化；也可以进一步通过逐层沉积熔融材料以形成3D制品。除了一般的快速原型制作，FDM还用于一些专业领域，例如：FDM被广泛应用于生物打印，并应用于组织工程和药物开发领域。此外，FDM也已用于制造微结构，例如微流控芯片。FDM方法的优点包括低成本、相对简单的打印过程以及与多种材料的兼容性。但是，其打印分辨率受喷嘴直径的限制，而且很难通过减小喷嘴直径来大幅提高打印分辨率。
电流体动力学(Electrohydrodynamic,EHD)方法在微加工领域有着广泛的应用。在喷嘴和基底之间施加高电压时，在喷嘴处会形成强电场，并且在电应力的作用下，喷嘴处的弯液面会形成圆锥形(称为泰勒锥)。静电纺丝是EHD方法的一个应用。通常情况下，可以从泰勒锥的末端喷出比喷嘴直径细得多的精细射流，可以产生微米甚至纳米直径的微纳纤维。静电纺丝技术早已被应用于无纺布等的制作。但是，对于传统的静电纺丝而言，当液体射流远离喷嘴一定距离后，液体射流会因为横向不稳定性(bending instability)而出现螺旋摆动的状态，因此很难实现高精度打印。近年来，为了避免该问题，一种近场静电纺丝直写方法受到了较多关注，其中将喷嘴充分靠近基底放置，从而使液体射流在出现横向不稳定性之前到达基底。考虑到与FDM方法的相似性，这种直写打印方法在这里被称为近场电场辅助熔融沉积(NE-FDM)。NE-FDM已经逐渐成为大幅提高打印分辨率的一种有前途的技术选项。
发明内容
本发明提出一种避免在近场电场辅助熔融沉积法(NE-FDM)的起始阶段出现大个液滴的方法。可以有效提高起始阶段直写分辨率，减小直写结构的线宽和线高。
为了实现这一目的，液体在接触基底的最初时刻，液面形态应该是精细射流，而且射流直径可以根据需要远小于喷嘴的内径。考虑到NE-FDM的工作原理，喷嘴处的液面在电场力的作用下，需要首先形变，形成锥状(即所谓的“泰勒锥”)。而后，精细射流从泰勒锥的末端射出。电场通过在喷嘴和下方基底之间施加一定(高)电压来产生。稳定的供液流速可以通过施加在熔融室的稳恒压强实现。本发明的主要内容是确定两个主要控制参数应该满足的条件，以避免打印的初始阶段出现大个液滴的情况。这两个主要控制参数是：开始施加电压的时刻，以及供液流速。
具体的直写初始状态设置的步骤如下：
S1：设定流速Q，采用稳定的压强差导致的泊肃叶流动。打印材料的流速Q由泊肃叶方程Q＝π×(r1)4×Δp/(8ηL)计算获得，其中Δp为加热腔两端的压强差，由Δp＝ρgh计算获得，其中ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液面高度；r1为喷嘴的内半径；L为喷嘴的长度；η为流体的粘滞系数。由于其他参数已知且为固定值，流速Q具体取决于液面高度h，通过液位计测量h，通过计算获得Q。并由齿轮驱动原材料线材进入熔融室，实时保持h稳定。
S2：测量t1。将一定体积V的熔融液体材料挤出，而后停止供液，施加US电压，过工业相机和机器视觉方法检测液面的形状，可以测量液面从半圆形变为泰勒锥所需的时间。通过对一系列不同V进行试验发现，V足够小时，液面在电场力作用下基本保持不变，当V稍小于πr3/3tanθ，形变所需时间随V的增加而缩短。首先测量V＝πr3/3tanθ条件下形变所需时间t*。然后测量V＝πr3/3tanθ-Q×(t*/2)条件下的形变所需时间，定义为t1。实际操作中发现t1会略小于t*，且t1通常分布在一定范围。
S3：设定t0。将开始施加电压的时刻定义为t0。
S4：设定目标电压US，设定升压速率RU(单位：伏特/秒)，其中电压随时间线性增加。计算tR＝US/RU。
S5：监测形变过程。当液面与喷嘴下沿齐平时，即液面刚刚流出喷嘴时，设定该时刻为时间零点t＝0。如果希望产生射流，则时刻t＝t0+tR+t1喷嘴处的熔融液体体积应该满足V(t0+tR+t1)＝Q×(t0+tR+t1)<πr3/3tanθ。值得注意的是：实际情况下，液面的形变是在电场力和均匀供液(供液流速为Q)的共同作用下完成的。正如前文所述，t1的测量方式已经考虑了这个共同作用的因素。尽管如此，为保险起见，V(t0+tR+t1)＝Q×(t0+tR+t1)应该显著小于πr3/3tanθ。
S6：当液体射流接触基底时，开始移动x-y平台，开始打印图案，并观测直写效果。
根据泰勒提出的电流体动力学理论，泰勒锥的半角约为49°。一些研究表明，该半角可能小于49°，达到大约33°。后者与应用实例中观察到的泰勒锥更加一致。一般地，设泰勒锥的半角为θ。则如图2所示，当喷嘴的外半径为r时，依据公式πr3/3tanθ可以估算当液面形成泰勒锥时(即达到这一夹角时)喷嘴处液体的体积。通过工业相机和机器视觉方法检测喷嘴处液面形态，将熔融液体材料恰好与喷嘴齐平的时刻定义为时间零点。将开始施加电压的时刻定义为t0。电压从0升高至设定值US需要时间tR＝US/RU，其中电压随时间线性增加，升压速率为：RU(单位：伏特/秒)。另一方面，在US产生的电场力作用下，将液面从接近半球形到圆锥形的变形过程需要的时间定义为t1。
测量t1的方法是，将一定体积V的熔融液体材料挤出，而后停止供液，施加US电压，过工业相机和机器视觉方法检测液面的形状，可以测量液面从半圆形变为泰勒锥所需的时间。通过对一系列不同V进行试验发现，V足够小时，液面在电场力作用下基本保持不变，当V稍小于πr3/3tanθ，形变所需时间随V的增加而缩短。首先测量V＝πr3/3tanθ条件下形变所需时间t*。然后测量V＝πr3/3tanθ-Q×(t*/2)条件下的形变所需时间，定义为t1。实际操作中发现t1会略小于t*，且t1通常分布在一定范围。
如果希望产生射流，则时刻t＝t0+tR+t1喷嘴处的熔融液体体积等于Q×(t0+tR+t1)需要小于泰勒锥的体积。即流速和开始施加电压的时刻t0满足Q×(t0+tR+t1)<πr3/3tanθ。值得注意的是：实际打印情况下，液面的形变是在电场力和均匀供液(供液流速为Q)的共同作用下完成的。正如前文所述，t1的测量方式已经考虑了这个共同作用的因素。实际实施中，通常设置Q和t0，使得Q×(t0+tR+t1)显著小于πr3/3tanθ。
具体实施本方法时，通过某种方式，使得熔融的打印材料以均匀的流速Q供给至喷嘴处。可以选择的方法包括稳定的压强差导致的泊肃叶流动。利用基于成像的机器视觉监测模块，通过图像处理可以实时测量出喷嘴外的熔融材料的轮廓信息。当液面与喷嘴下沿齐平时，即液面刚刚流出喷嘴时，设定该时刻为时间零点t＝0。实际操作中，tR可以根据电压设定值和升压速率精确计算。而t1的测量值带有一定主观依赖性，通常会分布在一定范围内。此外，改变喷嘴与基底的间距会影响喷嘴处的电场强度，从而改变液体在电场中的受力，从而改变t1。改变喷嘴、熔融室、基底温度会影响熔融材料的温度，从而改变熔融材料的粘度等流体力学特性，同样会改变t1。故本专利申请中，通常将喷嘴与基底的间距、喷嘴和熔融室的温度、基底温度保持为设定值不变。
附图说明
图1：装置原理图。
图2：形成泰勒锥时喷嘴处熔融流体的体积估计方法。
图3：较早施加电压的情况(即t0较小)，喷嘴尖端的液面形变过程。通过图片可以发现，当初始体积较小时，可以很好的形成精细射流状态。
图4：较晚施加电压的情况(即t0较大)，喷嘴尖端的液面形变过程。通过图片可以发现，无法形成精细射流，这也正是打印初始阶段出现大个液滴的原因。
图5：t0足够小和足够大情况下初始位置直写效果对照图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
电场辅助熔融沉积直写装置如图1所示。打印材料是聚己内酯(PCL)。供液的原理是：将PCL材料熔融，熔融室内的温度110℃，喷嘴位于熔融室下方，温度与熔融室温度基本相同。基底温度为60℃。保持熔融室内PCL熔融材料的液面高度，这个情况下，PCL的静液压保持恒定。供液流速稳定，且与静液压下的泊肃叶流速基本一致。喷嘴与基底的间距为2毫米，且在整个打印过程中保持不变。喷嘴为不锈钢材料，内径为0.8毫米，外径为1.26毫米。通过图像采集和处理，获得液面的轮廓信息。
具体的直写初始状态设置的步骤如下：
S1：设定流速Q。本方法采用稳定的压强差导致的泊肃叶流动。打印材料的流速Q由泊肃叶方程Q＝π×(r1)4×Δp/(8ηL)计算获得，其中Δp为加热腔两端的压强差，可由Δp＝ρgh计算获得，其中ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液面高度；r1为喷嘴的内半径；L为喷嘴的长度；η为流体的粘滞系数。由于其他参数已知且为固定值，流速Q具体取决于液面高度h，通过液位计测量h，可通过计算获得Q。并由齿轮驱动原材料线材进入熔融室，实时保持h稳定。
S2：测量t1。将一定体积V的熔融液体材料挤出，而后停止供液，施加US电压，过工业相机和机器视觉方法检测液面的形状，可以测量液面从半圆形变为泰勒锥所需的时间。通过对一系列不同V进行试验发现，V足够小时，液面在电场力作用下基本保持不变，当V稍小于πr3/3tanθ，形变所需时间随V的增加而缩短。首先测量V＝πr3/3tanθ条件下形变所需时间t*。然后测量V＝πr3/3tanθ-Q×(t*/2)条件下的形变所需时间，定义为t1。实际操作中发现t1会略小于t*，且t1通常分布在一定范围。
S3：设定t0。将开始施加电压的时刻定义为t0。
S4：设定目标电压US，设定升压速率RU(单位：伏特/秒)，其中电压随时间线性增加。计算tR＝US/RU。
S5：监测形变过程。当液面与喷嘴下沿齐平时，即液面刚刚流出喷嘴时，设定该时刻为时间零点t＝0。如果希望产生射流，则时刻t＝t0+tR+t1喷嘴处的熔融液体体积应该满足V(t0+tR+t1)＝Q×(t0+tR+t1)<πr3/3tanθ。值得注意的是：实际情况下，液面的形变是在电场力和均匀供液(供液流速为Q)的共同作用下完成的。正如前文所述，t1的测量方式已经考虑了这个共同作用的因素。尽管如此，为保险起见，V(t0+tR+t1)＝Q×(t0+tR+t1)应该显著小于πr3/3tanθ。
S6：当液体射流接触基底时，开始移动x-y平台，开始打印图案，并观测直写效果。
根据实验观察，泰勒锥的半角约为θ＝33°。如图2所示，当喷嘴的外半径(r)为0.63毫米时，依据公式πr3/3tanθ，可以得到当泰勒锥达到这一夹角时，液体的体积约为400(nL)。另一方面，弯液面从半球形到圆锥形的变形大约需要t1＝80秒。设定电压值为US＝2700V，升压速度为RU＝180V/s。因此需要tR＝15秒的时间将电压从0V斜升至2700V。实验中的流速Q约为1nL/s。因此，通过计算发现，要想获得射流，初始体积V(t0)(施加电压之前，喷嘴处所积累的液滴体积)应显著小于约305nL，即t0应该显著早于305s。
如图3所示，图中展示了显示了液面变形直到熔融液滴接触衬底的过程，其中流速Q约为1nL/s，初始体积V(t0)(施加电压之前，喷嘴处所积累的液滴体积)为185nL，即t0＝185s，显著早于305s。出现了精细射流并最终到达基底。射流比喷嘴直径细得多。这种启动状态(称为状态A)显然是实现高分辨率直写希望得到的。如果在喷射流接触衬底时开始移动x-y平台，则可以很好的保持高分辨率的直写过程。
如图4所示，图中展示了显示了液面变形直到熔融液滴接触衬底的过程，其中流速Q约为1nL/s，初始体积V(t0)(施加电压之前，喷嘴处所积累的液滴体积)为750nL，即t0＝750s，显著晚于305s。液面呈现出尖锐末端之后，尖端逐渐更圆，并没有出现精细射流。之后液面的腰部变窄。最后，液体接触衬底，并沉积大量的熔融液体。这正是在很多NE-FDM直写的初始位置出现较大液滴的原因。
图5显示了两种不同t0的情况下直写效果，左图显示t0＝180s条件下直写，起始点附近的图案，起始点处的线宽和线高与设计值基本一致，直写图案的分辨率和精度良好。右图显示t0＝510s条件下直写，起始点附近的图案。起始点处沉积了一个大液滴，远远大于设计线宽和线高。这个大液滴的存在也影响了附近直线的沉积精度。
在另一测试中，当将流速Q设置为10nL/s时，完全无法得到精细射流。这是由于在形成锥形液面之前，流体的体积已显著超过了临界值400(nL)，即V(t0+tR+t1)>10×(15+80)＝950>>400(单位是nL)。
本发明申请关注与NE-FDM在起始阶段的分辨率。NE-FDM在起始阶段的操作规程通常是这样的：在初始位置，喷嘴处液面在供液和电场双重作用下发生形变，并最终与下方的基底发生接触。在接触发生的时刻，开启喷嘴与基底的相对运动，开始直写过程。但是，NE-FDM的研究发现，在打印的起始位置，常常会出现大液滴的情况，即起始点处的熔融液体材料沉积的宽度和高度明显大于设计值的情况，如图5(b)所示。这种情况的方式不仅影响起始位置的打印分辨率，还会影响后续图案的打印精度。本专利申请提出一种方案，可以有效的避免起始阶段的大液滴，大幅缩小起始阶段的直写线宽，提高图案化分辨率和精度。
Claims (1)
1.高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法，其特征在于：液体在接触基底的最初时刻，喷嘴处的液面在电场力的作用下，需要首先形变，形成锥状即泰勒锥，电场通过在喷嘴和下方基底之间施加一定电压来产生；稳定的供液流速通过施加在熔融室的稳恒压强实现；将喷嘴与基底的间距、喷嘴和熔融室的温度、基底温度保持为设定值不变，确定两个控制参数：开始施加电压的时刻以及供液流速的步骤如下，
S1：设定流速Q，采用稳定的压强差导致的泊肃叶流动；打印材料的流速Q由泊肃叶方程Q＝π×(r1)4×Δp/(8ηL)计算获得，Δp为加热腔两端的压强差，由Δp＝ρgh计算获得，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液面高度；r1为喷嘴的内半径；L为喷嘴的长度；η为流体的粘滞系数；流速Q具体取决于液面高度h，通过液位计测量h，通过计算获得Q；
S2：测量t1；将一定体积V的熔融液体材料挤出后停止供液，施加US电压，通过工业相机和机器视觉方法检测液面的形状，测量液面从半圆形变为泰勒锥所需时间；设泰勒锥的半角为θ，当喷嘴的外半径为r时，依据公式πr3/3tanθ估算当液面形成泰勒锥时喷嘴处液体的体积；当V小于πr3/3tanθ，形变所需时间随V的增加而缩短；首先测量V＝πr3/3tanθ条件下形变所需时间t*；然后测量V＝πr3/3tanθ-Q×(t*/2)条件下的形变所需时间，定义为t1；
S3：设定t0，将开始施加电压的时刻定义为t0；
S4：设定目标电压US，设定升压速率RU，电压随时间线性增加；计算tR＝US/RU；
S5：监测形变过程；当液面与喷嘴下沿齐平时，即液面刚刚流出喷嘴时，设定对应时刻为时间零点t＝0；如果产生射流，则时刻t＝t0+tR+t1喷嘴处的熔融液体体积满足V(t0+tR+t1)＝Q×(t0+tR+t1)<πr3/3tanθ；液面的形变是在电场力和均匀供液的共同作用下完成；
S6：当液体射流接触基底时，基底由x-y平台支撑调节，开始移动x-y平台，开始打印图案，并观测直写效果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210052854.9A CN114589916B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210052854.9A CN114589916B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114589916A CN114589916A (zh) | 2022-06-07 |
| CN114589916B true CN114589916B (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=81805567
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210052854.9A Active CN114589916B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114589916B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115042429A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-09-13 | 浙江理工大学 | 一种微米纤维高精度打印的研究方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104309338A (zh) * | 2014-10-17 | 2015-01-28 | 华中科技大学 | 一种电纺丝直写工艺闭环控制方法 |
| CN104723678A (zh) * | 2015-03-12 | 2015-06-24 | 上海交通大学 | 批量微液滴及微结构的电流体动力制备装置和方法 |
| CN112122614A (zh) * | 2020-09-12 | 2020-12-25 | 青岛理工大学 | 一种基于自激发静电场驱动喷射沉积3d打印装置、工作方法及其应用 |
| CN112634198A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-04-09 | 广东工业大学 | 基于机器视觉的近场电纺直写的泰勒锥动态识别检测方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11466169B2 (en) * | 2016-11-10 | 2022-10-11 | Polyvalor, Limited Partnership | Piezoelectric composite, ink and ink cartridge for 3D printing, bifunctional material comprising the piezoelectric composite, manufacture and uses thereof |
| US11559944B2 (en) * | 2019-05-13 | 2023-01-24 | Drexel University | High resolution electrohydrodynamic three-dimensional printing of high viscosity materials |
-
2022
- 2022-01-18 CN CN202210052854.9A patent/CN114589916B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104309338A (zh) * | 2014-10-17 | 2015-01-28 | 华中科技大学 | 一种电纺丝直写工艺闭环控制方法 |
| CN104723678A (zh) * | 2015-03-12 | 2015-06-24 | 上海交通大学 | 批量微液滴及微结构的电流体动力制备装置和方法 |
| CN112122614A (zh) * | 2020-09-12 | 2020-12-25 | 青岛理工大学 | 一种基于自激发静电场驱动喷射沉积3d打印装置、工作方法及其应用 |
| CN112634198A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-04-09 | 广东工业大学 | 基于机器视觉的近场电纺直写的泰勒锥动态识别检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114589916A (zh) | 2022-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | Designs and applications of electrohydrodynamic 3D printing | |
| CN114589916B (zh) | 高分辨电场辅助熔融沉积直写初始打印参数设置方法 | |
| Wei et al. | Hybrid hierarchical fabrication of three-dimensional scaffolds | |
| Shen et al. | A robust ink deposition system for binder jetting and material jetting | |
| WO2015117125A1 (en) | Three-dimensional printing of metallic materials | |
| Li et al. | Robust direct-write dispensing tool and solutions for micro/meso-scale manufacturing and packaging | |
| CN113382876B (zh) | 流体打印设备 | |
| Li et al. | Design and fabrication of a PET/PTFE-based piezoelectric squeeze mode drop-on-demand inkjet printhead with interchangeable nozzle | |
| Xie et al. | Multi-materials drop-on-demand inkjet technology based on pneumatic diaphragm actuator | |
| NL2018720B1 (en) | Three-dimensional modeling method and system | |
| US11047057B2 (en) | Method for manufacturing a three-dimensional object and apparatus for conducting said method | |
| JP2014003263A (ja) | 半田ペースト吐出装置、それを含むパターニングシステム及びその制御方法 | |
| Han et al. | High-resolution direct printing of molten-metal using electrohydrodynamic jet plotting | |
| CN108407304B (zh) | 一种微滴喷射3d打印长度尺寸预测方法 | |
| Choi et al. | Development and ejection behavior of different material-based electrostatic ink-jet heads | |
| Meng et al. | Micro-shaping of metallic glass by wire electrochemical micro-machining with a reciprocating traveling workpiece | |
| CN101086614B (zh) | 一种微米级特征的三维辊压模具及其制造方法 | |
| Kim et al. | On-demand electrohydrodynamic jetting with meniscus control by a piezoelectric actuator for ultra-fine patterns | |
| JP7256273B2 (ja) | 流体を印刷する方法 | |
| US20220063192A1 (en) | System for controlled depositing of a fluid on a substrate | |
| Han et al. | Design of integrated ring extractor for high resolution electrohydrodynamic (EHD) 3D printing | |
| CN116135374A (zh) | 金属液滴喷射三维（3d）物体打印机和用于操作打印机的改进的方法 | |
| CN113015825A (zh) | 静电纺丝方法和设备 | |
| Aziz et al. | Development of Reciprocating Inkjet System for Printed Electronic Devices | |
| Pannier et al. | Electrohydrodynamic jet printing: A 3d printing technique for sensor fabrication |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |