基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术研究

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微纳3D打印是当前增材制造的前沿方向和研究热点,其在生物组织工程、柔性电子、新能源、新材料等诸多领域有着非常广泛的应用。然而,现有微纳增材制造技术在实现低成本、多材料、宏微跨尺度3D打印面临许多挑战性难题。本学位论文提出一种基于单平板电极电场驱动(SP-EFD)喷射沉积微纳3D打印新工艺,为宏/微跨尺度3D打印提供了一种低成本、高普适性的全新解决方案。本文在所提出的SP-EFD打印技术的基础上,对打印成形原理、理论方程建立、数值模拟仿真、不同工艺参数对打印银线尺寸与形貌影响、技术普适性探究、案例打印等方面开展系统深入的研究,主要研究工作和创新之处如下:(1)提出基于单平板电极电场驱动(SP-EFD)喷射沉积微纳3D打印新技术,不再将打印喷嘴作为电极,只需平板电极与高压电源正极(或负极)连接,突破了传统电喷印必须使用导电喷嘴的瓶颈,克服了传统电喷印和电场驱动打印在导电基材上打印导电材料的放电击穿难题。全新的微纳3D打印技术利用自激发静电场形成泰勒锥缩颈效应实现锥射流微喷射,并结合极化电荷吸引作用实现多层精准堆积,完成3D微纳结构增材制造。并且在打印原理分析的基础上,根据实际打印制造需求提出脉冲锥射流模式以及连续锥射流模式两种打印工作模式。(2)进行SP-EFD打印技术的理论模型构建,并利用有限元仿真软件(COMSOL Multiphysics)对打印喷嘴周围电场分布和强度进行了模型构建及边界条件的添加。对以下几种情况进行了数值模拟:(1)三种典型平板电极材质(铜、铝、钢)的电场分布、强度及最大场强与平板电极电导率关系;(2)三种典型基材(绝缘玻璃、半导体硅、导体铜)的电场分布和强度;(3)两种不同材质打印喷嘴(导电不锈钢喷嘴、绝缘玻璃喷嘴)的电场分布、强度及最大场强与喷嘴电导率关系;(4)随打印材料沉积高度变化最大场强变化。仿真结果显示:(1)SP-EFD打印技术在不同的平板电极和不同材质的打印基材与不同材质打印喷嘴之间均能产生稳定自激发静电场;(2)SP-EFD打印技术在进行三维实体制造时随着打印高度的变化,打印电压需进行补偿。数值模拟仿真结果为后续进行实验研究提供有力支撑。(3)进行实验装置的搭建。在搭建好的实验装置上开展工艺参数对打印银线尺寸与形貌影响和系统的实验研究,验证SP-EFD打印技术具有工艺窗口宽(普适性好),应用领域几乎不受限制:该种打印技术可实现任意材料的打印喷嘴(导电与非导电)、打印基材(导体、半导体和绝缘体)、多种打印材料的宏/微结构跨尺度制造;即使使用导电喷嘴和导电基材打印导电材料,也能实现高精度连续稳定打印。(4)结合SP-EFD打印技术优化后的工艺参数,使用同一内径喷嘴,分别打印出不同液滴直径微液滴阵列和变线宽导电银线;采用SP-EFD打印技术进行热熔融型材料,使用不同打印喷嘴,实现大高宽比微“墙”结构打印;使用非导电(玻璃)喷嘴实现了PCL超微细线打印、高性能透明电极以及高一致性精准可控的三维组织支架的制造。
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