1、高速攝像機在EHD打印技術(shù)研究中的應(yīng)用
電流體動力學(xué)（EHD）打印作為一種新興的3D打印技術(shù)，具有無需掩模、操控簡單、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(yīng)用前景。利用該技術(shù)可實現(xiàn)對半導(dǎo)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電流體動力學(xué)(EHD)打印在微熱板上涂覆氣敏材料過程中各參數(shù)對錐射流形成的影響，采用多物理場有限元仿真軟件分析了錐射流形成過程，利用高速攝像機拍攝錐射流形成過程，來驗證仿真分析的有效性。（詳情可見《用于微熱板氣體傳感器的EHD打印有限元仿真》）
2、實驗方法
科研團隊自主搭建了EHD噴墨打印系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)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(shè)備進行程控的PC端等部分組成。
實驗根據(jù)微熱板氣體傳感器EHD打印系統(tǒng)建立了簡化的二維有限元模型，仿真EHD打印中錐射流形成的過程，并利用高速相機記錄實驗過程，對兩者進行對比分析。
3、實驗分析
1/3.仿真結(jié)果模型的有效性
如圖3（a）所示，仿真得到的流體相函數(shù)Φ隨時間變化的過程，黑色對應(yīng)于Φ=-1的純液相，無色對應(yīng)于Φ=1的氣相。表面電荷變化過程如圖3(b)所示。觀察錐射流形成過程。針管內(nèi)的液體在電場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力突破表面張力，形成射流。射流噴射到基板上，實現(xiàn)打印。
利用千眼狼高速攝像機拍攝實際EHD打印的過程如圖4所示。實際打印過程與仿真計算的打印過程吻合較好，說明該二維簡化模型適用于EHD打印過程的仿真，可用于分析不同參數(shù)對打印過程的影響。
2/3.針頭與襯底距離
固定電壓為1.5kV時，通過調(diào)節(jié)針頭與襯底之間的距離d將直接影響電場力，從而影響打印過程。當(dāng)距離d從300μm到750μm變化時，截取形成有效錐射流時的相函數(shù)分布如圖5所示。
統(tǒng)計d與錐射流形成時間t的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)針頭與襯底的距離大于750μm時，雖然液體被拉出針頭，但其受到的電場力不足以突破表面張力，因此無法形成有效的錐射流。當(dāng)距離小于600μm，錐射流在施加電壓后不到1ms內(nèi)就已經(jīng)迅速形成，即EHD打印過程是非常迅速的。隨著針頭與襯底之間距離減小，錐射流形成時間單調(diào)減小。因此，EHD打印中應(yīng)使針頭與襯底距離小于750μm，使其能夠形成有效、穩(wěn)定的錐射流。
3/3.針頭內(nèi)徑
設(shè)置距離d為600μm，當(dāng)針頭內(nèi)部直徑從160μm到360μm變化時，截取仿真時間900μs時的結(jié)果如圖7所示，統(tǒng)計距離針頭300μm處的錐射流直徑隨針頭內(nèi)徑變化如圖8所示。結(jié)果表明，在針頭內(nèi)徑從160μm增大到300μm時，錐射流直徑從40μm增大到55μm，且兩者呈線性關(guān)系。小的針頭內(nèi)徑形成的錐射流直徑更小，打印點也會相應(yīng)更小，因此減小針頭內(nèi)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(nèi)徑應(yīng)比固體顆粒直徑大兩個數(shù)量級。因此在實際打印中應(yīng)根據(jù)墨水內(nèi)固體顆粒直徑選擇一個合適的針頭內(nèi)徑。
3/3.針頭親水性
設(shè)置距離d為600μm，針頭內(nèi)徑為260μm當(dāng)墨水液面在針頭的接觸角同時從30°到120°變化時，截取仿真時間900μs時的結(jié)果如圖9所示，統(tǒng)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(dāng)接觸角為30°時，針頭表面十分親水，因此針尖的液體直徑顯著大于針頭內(nèi)徑，但形成的錐射流卻較細。隨著接觸角的增大，針頭表面從親水向疏水過渡，針尖的液體直徑逐漸減小至趨近于針頭內(nèi)徑，但錐射流直徑卻逐漸增大。
為了進一步理解這一現(xiàn)象，對錐射流所受電場應(yīng)力進行分析，如圖11所示。錐射流所受的電場應(yīng)力的橫向分量幾乎不隨接觸角的變化而改變，而電場應(yīng)力的縱向分量隨接觸角的增大逐漸減小。較大的y分量的電場應(yīng)力會使錐射流在縱向被拉長變細，所以當(dāng)電場應(yīng)力的縱向分量減小時錐射流的直徑會逐漸增大。
根據(jù)仿真結(jié)果，錐射流直徑隨著接觸角的增大而增大。但是當(dāng)接觸角過小、針頭親水性強時，墨水會大量沉積在針頭上，影響EHD打印穩(wěn)定性。因此應(yīng)選擇適中的接觸角以實現(xiàn)高精度打印。
4、實驗結(jié)果
利用仿真軟件模擬了EHD打印的錐射流的形成過程，仿真結(jié)果與千眼狼高速攝像機拍攝實際過程一致。仿真了針頭與襯底距離、針頭內(nèi)徑、接觸角改變對錐射流形成過程的影響。結(jié)果表明隨著打印針頭與襯底之間的距離增加，錐射流形成時間增加。較小的針頭內(nèi)徑和接觸角會獲得較小的錐射流直徑。實驗根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化EHD打印參數(shù)，在微熱板上打印花狀氣敏材料，不但保留了材料的微觀納米結(jié)構(gòu)，而且形成了較為均勻的薄膜。
5、總結(jié)
EHD打印會受到打印針頭入口的壓力以及墨水的動力粘度、墨水的相對介電常數(shù)等參數(shù)的影響。高速攝像機可觀察打印參數(shù)對錐射流和液滴形成過程的影響，并驗證仿真實驗的有效性，對實際應(yīng)用于微熱板氣敏墨水的EHD打印過程中的參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整提供指導(dǎo)意義。（此文源自大連理工大學(xué)研究團隊）
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