电流体动力喷射打印,即电喷印,具有分辨率高、材料适用范围广、无“咖啡环”现象等优点,在微纳3D制造领域尤其是柔性电子制造领域拥有巨大的潜力,近年来发展迅速。目前,电喷印的应用多为单喷嘴打印,效率较低,采用喷嘴阵列打印是提升打印效率的有效方式,而喷嘴间存在电场干涉,打印精度会受到影响而难以保证,且电压越高,电场干涉越严重;因此,寻求电压条件更友好的喷嘴类型及合理的喷嘴阵列结构,是在保证打印精度的同时提升打印效率的关键。针对上述问题,本文以寻求电压条件更友好的喷嘴类型及合理的喷嘴阵列结构为研究目标,通过理论分析与数值模拟相结合的方式,研究设计电场均匀性更优的喷嘴阵列结构,并采用智能优化算法对设计结构进行优化,取得的设计成果和相关结论对电喷印喷嘴阵列具有工程应用参考价值和现实意义。具体研究内容及成果如下:1.阐述了电喷印射流的基本原理,讨论了电喷印射流稳定性的影响因素及电喷印射流的多种模式;对电喷印射流有限元数值模拟所需要的流场、电场控制方程、多物理场耦合方法及两相流界面追踪方法进行了论述。2.通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立了具有抑制泰勒锥回流特征的导电喷嘴及绝缘喷嘴的锥射流演化过程仿真模型。通过与Collins模型对比锥射流的演化形态验证了模型的正确性,并采用电荷分布对所设计绝缘喷嘴的工作稳定性进行说明,最后总结了电压、射流高度、喷嘴内径及入口压力等关键工艺参数对其锥射流状态的影响规律。研究表明:所设计喷嘴具有良好的电场性能及长久稳定工作的能力;实现稳定射流时,电压过大易使射流失稳出现多股射流;射流高度过大时则空间强度过低而无法形成射流;喷嘴内径及入口压力的增大可加快射流成形速度,但泰勒锥锥度亦随之增大,增加射流不稳定性,需增大电压保证其稳定状态。3.针对设计绝缘喷嘴进行了喷嘴线性阵列和环形阵列的电场仿真分析。采用单因素分析法分析了电极电压、喷嘴间距及射流高度对线性阵列和环形阵列的电场均匀性的影响规律,并以电场强度标准方差为评价指标,验证了设计环形阵列的电场分布的均匀性更优。对不同射流高度法和电压法对环形阵列中“边缘效应”的抑制效果进行了讨论;研究结果表明,合理使用此两种方法均能抑制环形阵列中的电场干涉,提升电场均匀性,同时二者也存在差异;不同射流高法设备要求相对简易,但会造成打印分辨率的损伤,电压法打印分辨率精度较高,但控制难度大,设备较为复杂,在实际打印中需根据打印需求酌情进行选择。4.以环形阵列的电场强度标准方差为优化目标,进行环形阵列关键参数优化。通过Design Expert软件,选取环周喷嘴电压、环心喷嘴与环周喷嘴的电压差值、喷嘴间距及射流高度四个因素进行试验设计,采用响应面法进行二次项拟合得到其关系模型;通过增强精英保留遗传算法对环形阵列的关键参数组合进行优化设计;与经典遗传算法的优化结果进行对比,验证了SEGA优化效果的优异性;对SEGA优化得到的参数组合进行有限元仿真验证,当环周喷嘴电压为1.4k V,环心喷嘴与环周喷嘴电压差值为160V,喷嘴间距为1*dr,射流高度为0.65mm时,得到电场强度的标准方差为0.744,与SEGA优化得到的结果相比,二者相对误差仅为2.42%,优化结果可靠,环形阵列的电场均匀性得到进一步提高。