电流体锥射流稳定形态与喷印工艺研究

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电流体喷印作为一项新兴的微纳尺度3D打印技术,通过外加电场驱动材料形成微细锥射流来进行喷印,相对于传统喷墨3D打印技术,具有分辨率高、加工精度高等优点,在微电子、光学、生物医疗、数据存储等多种领域具有广泛的应用前景。对电流体锥射流的形成过程以及稳定形态的影响因素进行深入研究,并对直流与脉冲电压下的不同电流体喷印模式进行工艺研究,分析各项工艺参数对锥射流稳定形态和加工结构的影响,是电流体喷印技术能够实际应用于各类微纳结构加工的基础。本文针对电流体锥射流稳定形态进行了分析,对直流电压和脉冲电压下的不同喷印模式进行了工艺研究,并且对电流体喷印技术的实际应用进行了探索。针对电流体锥射流稳定形态的研究,基于流体力学和电动力学基本方程,推导了电流体动力学仿真应用方程,用于计算锥射流受力情况。建立了能够正确表述电流体喷印中锥射流形成过程和稳定形态的数值仿真模型。搭建了电流体喷印实验设备,实现了电流体喷印,观测到形成的稳定锥射流,验证了仿真模型的正确性。结合仿真与实验,分析了各项工艺参数对锥射流稳定形态的影响,能够通过调节工艺参数来控制锥射流形态与尺寸。在直流电压与脉冲电压的作用下,电流体喷印得到的加工结构型式不同。在直流电压下,加工得到连续线结构。通过工艺实验分别研究了各项工艺参数对电流体喷印加工结构的影响规律。通过正交实验确定影响因素的显著性水平,优化工艺参数,加工了高分辨率、表面质量较好的微米级连续直线结构。在此基础上,作为对电流体喷印技术实际应用的探索,加工了印刷电路中常见的弯折连续结构,解决了结构端点与拐点处的材料堆积问题。在脉冲电压的作用下,电流体喷印加工得到微液滴阵列结构。通过单一变量实验,研究了脉冲电压下的特征参数(脉宽、频率等)以及不同于直流电压电流体喷印研究中的供料速度对微液滴阵列结构的影响。通过正交实验得出上述影响因素对电流体喷印的影响程度,优化工艺参数,加工得到尺寸与间距一致性良好的微米级液滴阵列。为了进一步探索电流体喷印技术实际应用,以微光学器件中常用的微透镜阵列为目标结构,加工了4×4微液滴阵列结构,解决了部分液滴的间距误差较大的问题,获得了较好的加工效果。
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