材料擠出式3D打印自流平油墨的高分辨率和可編程線形態(tài)

供稿人：張海天
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

基于材料擠壓的成形技術(shù)是一種3D打印方式，可以快速打印各種功能油墨。由于這些油墨的復(fù)雜流變性，以及基于材料擠壓的3D打印的多個(gè)工藝參數(shù)，如何精確地控制指定的細(xì)小寬度的打印線形態(tài)是非常具有挑戰(zhàn)性的。針對(duì)這一問(wèn)題，探討了關(guān)鍵的工藝參數(shù)，并將其結(jié)合在一起，建立了擠壓噴嘴運(yùn)動(dòng)速度和高度兩個(gè)歸一化變量，揭示了這兩個(gè)變量對(duì)印刷線條形態(tài)的影響。特別是，構(gòu)建了由這兩個(gè)歸一化變量控制的相圖，為設(shè)置工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)印刷線的形態(tài)和寬度可控提供了一個(gè)完整的范圍。在相圖的指導(dǎo)下，通過(guò)控制工藝參數(shù)，連續(xù)印刷出具有復(fù)雜形態(tài)和多功能的鏈條。這項(xiàng)工作為快速打印高分辨率、多功能的復(fù)雜圖案提供了見(jiàn)解。

圖1 典型擠出印刷工藝示意圖

圖1展示了典型的擠出印刷工藝。在空氣壓力下，墨水以v_e的速度在直徑為d_n的擠出噴嘴中流動(dòng)，同時(shí)擠出噴嘴以v_n的速度和h_n的高度移動(dòng)。當(dāng)油墨被擠出時(shí)，由于粘彈性，其直徑擴(kuò)大到d_e。由于自流平的特性，印刷的油墨會(huì)因界面張力而在承印物上鋪開(kāi)，最終形成寬度為l，高度為h的彎月面截面線。

在使用相同材料的情況下，墨水的打印行為模式取決于分配器的壓力P、擠出噴嘴的內(nèi)徑d_n、擠出噴嘴速度v_n和噴嘴高度h_n。這些參數(shù)控制油墨印刷行為的原理非常復(fù)雜。為了簡(jiǎn)明描述各參數(shù)對(duì)打印過(guò)程的影響，該團(tuán)隊(duì)建立了兩個(gè)歸一化打印參數(shù)：歸一化噴嘴擠出速度V和噴嘴高度H：

圖2 線條形貌的定量相圖（相圖右側(cè)為不同線打印行為模式下的線形貌）

如圖2所示，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)線形態(tài)打印模式的條件，通過(guò)對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)的系統(tǒng)辨識(shí)、推導(dǎo)和驗(yàn)證，構(gòu)建了基于兩個(gè)歸一化參數(shù)(V和H)的綜合相圖，全面覆蓋了6種不同印刷線型的典型印刷模式。在相圖指導(dǎo)下，可以通過(guò)編程改變V和H來(lái)連續(xù)切換打印模式，有助于提高打印分辨率，對(duì)快速打印傳感器陣列以及不切換擠壓噴嘴和墨水的情況下制作功能電路具有指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：
Li, Maoyang, Peishi Yu, Zhiyang Guo, Yu Liu和Junhua Zhao. 《High-Resolution and Programmable Line-Morphologies of Material-Extrusion 3D Printed Self-Leveling Inks》. Additive Manufacturing, 71 (2023年6月5日): 103582.