按需噴墨（DOD）噴墨打印的新興應(yīng)用，例如印刷電子和生物打印，正在導(dǎo)致具有復(fù)雜化學(xué)和流變特性的多種功能性墨水的不斷發(fā)展，尤其是粘彈性聚合物。以理想的速度和體積以及出色的可靠性形成液滴對(duì)于成功打印**重要。浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院尹俊研究員實(shí)驗(yàn)室通過(guò)采用MicroFab噴墨技術(shù)打印導(dǎo)電聚合物，研究了粘彈性墨水DOD噴墨打印過(guò)程中液滴形成的動(dòng)力學(xué)和性能。該研究將復(fù)雜的多變量噴墨操作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)無(wú)量綱數(shù)的定量化描述，因此在噴墨打印新的黏彈性功能墨水時(shí)，減少了選擇或優(yōu)化液滴形成工藝參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)量，從而在*大程度上減輕了目前所面臨的“反復(fù)試錯(cuò)”負(fù)擔(dān)。
以下內(nèi)容轉(zhuǎn)載自 力學(xué)人 微信公眾號(hào)噴墨打印是主流的3D打印技術(shù)之一，其以液滴作為基本單元沉積到指定位置，干燥或固化后形成二維圖案或三維結(jié)構(gòu)。噴墨打印因具有高精度、優(yōu)異可控性、易于實(shí)現(xiàn)高通量和多材料打印等優(yōu)點(diǎn)而受到生物制造和柔性電子等新興領(lǐng)域的青睞。
噴墨打印過(guò)程及應(yīng)用領(lǐng)域目前研發(fā)及使用的新型功能墨水普遍具有復(fù)雜的化學(xué)和流變性質(zhì)，尤其是黏彈性溶液，比如高分子溶液 (如含PEDOT:PSS, GelMA, Collagen, Sodium alginate等)。面對(duì)這些黏彈性功能墨水的噴墨打印，目前仍依靠大量的反復(fù)試錯(cuò)試驗(yàn)來(lái)選擇或優(yōu)化工藝參數(shù)以產(chǎn)生打印所需的液滴。鑒于此，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院尹俊研究員實(shí)驗(yàn)室以導(dǎo)電聚合物溶液(PEDOT:PSS/DMSO/Water) 的壓電噴墨打印過(guò)程為研究對(duì)象，系統(tǒng)探究了導(dǎo)電聚合物溶液在大范圍工藝參數(shù)空間下液滴形成動(dòng)力學(xué)，以指導(dǎo)快速獲得具有打印所需速度、大小和穩(wěn)定性的液滴，從而精確調(diào)控噴墨打印性能。作者揭示了黏彈性墨水噴墨打印過(guò)程中4種不同的液滴形成模式，并根據(jù)量綱分析理論，通過(guò)定義無(wú)量綱數(shù)(Wj)構(gòu)造了液滴形成的工藝相圖，定量化闡述了4種液滴形成模式及其轉(zhuǎn)變機(jī)制。此外，作者還系統(tǒng)性地探究了雙極電壓波形各參數(shù)對(duì)液滴速度和大小的控制規(guī)律，并進(jìn)一步展示了該黏彈性導(dǎo)電墨水的高精度紙基圖案化。相關(guān)研究成果以題為: “Drop-on-demand (DOD) inkjet dynamics of printing viscoelastic conductive ink” 于2021年11月07日發(fā)表在增材制造領(lǐng)域**期刊《Additive Manufacturing》，博士生趙登科及周竑釗副研究員為共同**作者，尹俊研究員和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院王一帆副教授為共同通訊作者。通過(guò)液滴形成實(shí)驗(yàn)，研究人員歸納了4種液滴形成模式（圖1a及下方視頻），分別為：（1）無(wú)液滴，墨水無(wú)法從噴嘴處射出 (圖1.a1)；（2）單液滴(圖1.a2-a3)，噴出的墨水絲線下落中收縮成一個(gè)液滴，這是噴墨打印最理想的液滴形成模式；（3）一個(gè)衛(wèi)星液滴，墨水絲線頭部形成一個(gè)主液滴，分離的尾部形成一個(gè)衛(wèi)星液滴跟隨其后 (圖1.a4-a5)；（4）多個(gè)衛(wèi)星液滴，即一個(gè)主液滴伴隨多個(gè)由尾部破碎形成的衛(wèi)星液滴 (圖1.a6)。噴墨打印工藝參數(shù)是通過(guò)控制噴出墨水的速度、體積和幾何形貌操縱液滴形成過(guò)程，作者定義了無(wú)量綱數(shù)Wj（圖1b）用于定量化描述多變量工藝參數(shù)與液滴形成動(dòng)力學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)系，并基于不同參數(shù)組合下的Wj值構(gòu)建了工藝相圖（圖1b）。圖1(b) 所示相圖中，不同液滴形成模式被三個(gè)Wj值劃分為四個(gè)區(qū)域（針對(duì)本研究所采用的墨水和噴嘴，分別為Wj1 ≈ 3, Wj2 ≈ 300, Wj3 ≈ 1400）。隨著Wj的增大，液滴形成模式從無(wú)液滴形成過(guò)渡到單液滴，再到一個(gè)衛(wèi)星液滴，最后到多個(gè)衛(wèi)星液滴。針對(duì)一個(gè)新開(kāi)發(fā)的黏彈性功能墨水，如何快速選擇或優(yōu)化噴墨工藝參數(shù)以獲得噴墨打印所需的無(wú)衛(wèi)星液滴的單液滴？首先，基于一小組參數(shù)值（如壓電驅(qū)動(dòng)波形的各參數(shù)）獲得各工藝參數(shù)對(duì)Wj的影響規(guī)律，同時(shí)鑒別出關(guān)鍵參數(shù)。然后根據(jù)基于Wj的工藝相圖，調(diào)控相關(guān)的工藝參數(shù)來(lái)增大或減小Wj使其位于形成單液滴模式對(duì)應(yīng)的區(qū)間（圖1b, 對(duì)于本研究的墨水和噴嘴，其為3?300）。該論文詳細(xì)報(bào)道了雙極電壓波形對(duì)Wj的影響規(guī)律，可用于指導(dǎo)實(shí)際中對(duì)應(yīng)參數(shù)的選擇，詳見(jiàn)文章3.3.1節(jié)。圖1. (a) 黏彈性墨水噴墨打印液滴形成模式: (a1) 無(wú)液滴形成, (a2-a3) 單液滴 (打印所需模式), (a4-a5) 一個(gè)衛(wèi)星液滴, (a6) 多衛(wèi)星液滴; (b) 無(wú)量綱數(shù)及液滴形成工藝相圖在產(chǎn)生單液滴沒(méi)有衛(wèi)星液滴的模式下，作者還系統(tǒng)探究了雙極電壓波形各參數(shù)對(duì)液滴速度和大小以及液滴形成穩(wěn)定性的控制規(guī)律（詳見(jiàn)文章3.3節(jié)）。如下圖2所示，針對(duì)本研究采用的40 μm口徑壓電噴墨打印頭和導(dǎo)電高分子溶液，能夠產(chǎn)生速度為0.1?7 m/s, 直徑為45?69 μm的單液滴。圖2. 液滴速度和大小受雙極電壓波形參數(shù)的調(diào)控對(duì)液滴形成動(dòng)力學(xué)的理解促進(jìn)了對(duì)液滴形成的精確控制，基于此，作者進(jìn)一步在相紙上實(shí)現(xiàn)了該黏彈性導(dǎo)電墨水的高精度圖案化。通過(guò)調(diào)節(jié)液滴間距精確調(diào)控打印線的形貌和線寬，獲得線寬為74?78 μm的平行邊緣導(dǎo)電線（圖3a）。如圖3(b)所示，通過(guò)改變液滴間距和打印層數(shù)能夠*好地調(diào)控打印線的導(dǎo)電性（圖3b）。圖3. 黏彈性導(dǎo)電墨水紙基圖案化: (a) 導(dǎo)電線形貌和線寬調(diào)控; (b) 導(dǎo)電線每毫米電阻; (c) 噴墨打印導(dǎo)電圖案(打印3層); (d) 設(shè)計(jì)圖案; (e) 多尺度圖案打印。標(biāo)尺: (a) 100 μm, (c1) (e1) 3 mm, (c2) 200 μm, (c3) (e2) 400 μm本研究揭示了黏彈性墨水噴墨打印中四種不同的液滴形成模式，定義了無(wú)量綱數(shù)（Wj）來(lái)闡述工藝參數(shù)和液滴形成動(dòng)力學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)系，并基于此構(gòu)造了液滴形成工藝相圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴形成模式及其轉(zhuǎn)變的定量化描述。將復(fù)雜的多變量噴墨操作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)無(wú)量綱數(shù)的定量化描述，因此在噴墨打印新的黏彈性功能墨水時(shí)，減少了選擇或優(yōu)化液滴形成工藝參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)量，從而在*大程度上減輕目前所面臨的“反復(fù)試錯(cuò)”負(fù)擔(dān)。所報(bào)道的雙極電壓波形對(duì)液滴形成的影響規(guī)律可直接用于指導(dǎo)實(shí)際中對(duì)應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化或選擇。該研究對(duì)促進(jìn)黏彈性墨水噴墨打印動(dòng)力學(xué)的充分理解和噴墨打印性能的提升及精確調(diào)控具有重要意義。該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題” (Grant No. 2018YFA0703000) 和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 (Grant No. 52075482) 支持。https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102451
