1、高速攝像機在EHD打印技術(shù)研究中的應用
電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）打印作為一種新興的3D打印技術(shù)，具有無(wú)需掩模、操控簡(jiǎn)單、效率高、油墨兼容性好、材料利用率高等優(yōu)勢，在生物組織、傳感器、光伏等領(lǐng)域具有很好的應用前景。利用該技術(shù)可實(shí)現對半導體材料油墨的精準分配和沉積，從而提升打印效率。
大連理工大學(xué)科研團隊為研究通過(guò)電流體動(dòng)力學(xué)(EHD)打印在微熱板上涂覆氣敏材料過(guò)程中各參數對錐射流形成的影響，采用多物理場(chǎng)有限元仿真軟件分析了錐射流形成過(guò)程，利用高速攝像機拍攝錐射流形成過(guò)程，來(lái)驗證仿真分析的有效性。（詳情可見(jiàn)《用于微熱板氣體傳感器的EHD打印有限元仿真》）
2、實(shí)驗方法
科研團隊自主搭建了EHD噴墨打印系統，如圖1所示。該系統是由微量注射器、信號發(fā)生器、電壓放大器、照明燈、千眼狼高速攝像機、放置微熱板傳感器的位移平臺以及對各設備進(jìn)行程控的PC端等部分組成。
實(shí)驗根據微熱板氣體傳感器EHD打印系統建立了簡(jiǎn)化的二維有限元模型，仿真EHD打印中錐射流形成的過(guò)程，并利用高速相機記錄實(shí)驗過(guò)程，對兩者進(jìn)行對比分析。
3、實(shí)驗分析
1/3.仿真結果模型的有效性
如圖3（a）所示，仿真得到的流體相函數Φ隨時(shí)間變化的過(guò)程，黑色對應于Φ=-1的純液相，無(wú)色對應于Φ=1的氣相。表面電荷變化過(guò)程如圖3(b)所示。觀(guān)察錐射流形成過(guò)程。針管內的液體在電場(chǎng)力的作用下逐漸被拉出形成錐形。由于表面電荷的聚集使得尖端電荷密度不斷增加，最終逐漸增大的電場(chǎng)力突破表面張力，形成射流。射流噴射到基板上，實(shí)現打印。
利用千眼狼高速攝像機拍攝實(shí)際EHD打印的過(guò)程如圖4所示。實(shí)際打印過(guò)程與仿真計算的打印過(guò)程吻合較好，說(shuō)明該二維簡(jiǎn)化模型適用于EHD打印過(guò)程的仿真，可用于分析不同參數對打印過(guò)程的影響。
2/3.針頭與襯底距離
固定電壓為1.5kV時(shí)，通過(guò)調節針頭與襯底之間的距離d將直接影響電場(chǎng)力，從而影響打印過(guò)程。當距離d從300μm到750μm變化時(shí)，截取形成有效錐射流時(shí)的相函數分布如圖5所示。
統計d與錐射流形成時(shí)間t的關(guān)系如圖6所示。當針頭與襯底的距離大于750μm時(shí)，雖然液體被拉出針頭，但其受到的電場(chǎng)力不足以突破表面張力，因此無(wú)法形成有效的錐射流。當距離小于600μm，錐射流在施加電壓后不到1ms內就已經(jīng)迅速形成，即EHD打印過(guò)程是非常迅速的。隨著(zhù)針頭與襯底之間距離減小，錐射流形成時(shí)間單調減小。因此，EHD打印中應使針頭與襯底距離小于750μm，使其能夠形成有效、穩定的錐射流。
3/3.針頭內徑
設置距離d為600μm，當針頭內部直徑從160μm到360μm變化時(shí)，截取仿真時(shí)間900μs時(shí)的結果如圖7所示，統計距離針頭300μm處的錐射流直徑隨針頭內徑變化如圖8所示。結果表明，在針頭內徑從160μm增大到300μm時(shí)，錐射流直徑從40μm增大到55μm，且兩者呈線(xiàn)性關(guān)系。小的針頭內徑形成的錐射流直徑更小，打印點(diǎn)也會(huì )相應更小，因此減小針頭內徑有利于提高打印精度。但是對于含有固體顆粒的氣敏墨水，為了避免針頭的堵塞，針頭內徑應比固體顆粒直徑大兩個(gè)數量級。因此在實(shí)際打印中應根據墨水內固體顆粒直徑選擇一個(gè)合適的針頭內徑。
3/3.針頭親水性
設置距離d為600μm，針頭內徑為260μm當墨水液面在針頭的接觸角同時(shí)從30°到120°變化時(shí)，截取仿真時(shí)間900μs時(shí)的結果如圖9所示，統計距離針頭300μm 處的錐射流直徑隨接觸角變化如圖10所示。當接觸角為30°時(shí)，針頭表面十分親水，因此針尖的液體直徑顯著(zhù)大于針頭內徑，但形成的錐射流卻較細。隨著(zhù)接觸角的增大，針頭表面從親水向疏水過(guò)渡，針尖的液體直徑逐漸減小至趨近于針頭內徑，但錐射流直徑卻逐漸增大。
為了進(jìn)一步理解這一現象，對錐射流所受電場(chǎng)應力進(jìn)行分析，如圖11所示。錐射流所受的電場(chǎng)應力的橫向分量幾乎不隨接觸角的變化而改變，而電場(chǎng)應力的縱向分量隨接觸角的增大逐漸減小。較大的y分量的電場(chǎng)應力會(huì )使錐射流在縱向被拉長(cháng)變細，所以當電場(chǎng)應力的縱向分量減小時(shí)錐射流的直徑會(huì )逐漸增大。
根據仿真結果，錐射流直徑隨著(zhù)接觸角的增大而增大。但是當接觸角過(guò)小、針頭親水性強時(shí)，墨水會(huì )大量沉積在針頭上，影響EHD打印穩定性。因此應選擇適中的接觸角以實(shí)現高精度打印。
4、實(shí)驗結果
利用仿真軟件模擬了EHD打印的錐射流的形成過(guò)程，仿真結果與千眼狼高速攝像機拍攝實(shí)際過(guò)程一致。仿真了針頭與襯底距離、針頭內徑、接觸角改變對錐射流形成過(guò)程的影響。結果表明隨著(zhù)打印針頭與襯底之間的距離增加，錐射流形成時(shí)間增加。較小的針頭內徑和接觸角會(huì )獲得較小的錐射流直徑。實(shí)驗根據仿真結果優(yōu)化EHD打印參數，在微熱板上打印花狀氣敏材料，不但保留了材料的微觀(guān)納米結構，而且形成了較為均勻的薄膜。
5、總結
EHD打印會(huì )受到打印針頭入口的壓力以及墨水的動(dòng)力粘度、墨水的相對介電常數等參數的影響。高速攝像機可觀(guān)察打印參數對錐射流和液滴形成過(guò)程的影響，并驗證仿真實(shí)驗的有效性，對實(shí)際應用于微熱板氣敏墨水的EHD打印過(guò)程中的參數優(yōu)化和調整提供指導意義。（此文源自大連理工大學(xué)研究團隊）
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