一種新型的基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射技術(shù)

趙振昊，林 峰

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100084）

微滴噴射技術(shù)是一種發(fā)源于噴墨打印技術(shù)[1]的微滴制造方式，液滴奇特的物理現(xiàn)象使得液滴噴射技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，比如從單純的噴墨打印技術(shù)擴(kuò)展至材料成型[2]、三維打印[3]、生物制造[4]、生物醫(yī)學(xué)工程[5]、微電子制造[6]、基因工程[7]、太陽能電池制造[8]、建筑行業(yè)[9]等領(lǐng)域?；诮蛔儨T力的微滴噴射技術(shù)[10]是一種特殊的微滴噴射技術(shù)，擁有可更換噴頭、可精確調(diào)整液滴大小及液滴成形條件等優(yōu)勢，但也有無法噴射出較小（<25 μm）液滴的劣勢。本文利用交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射技術(shù)，可解決上述劣勢并保留其優(yōu)勢，更加精確地打印微滴。

1 方案設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

如圖1所示，典型的基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射系統(tǒng)主要由微滴噴射系統(tǒng)、運動平臺、環(huán)境控制系統(tǒng)及觀測系統(tǒng)四個部分組成。其中，微滴噴射系統(tǒng)用于產(chǎn)生液滴，并使其按照既定的速度、大小等物理性質(zhì)噴射；運動平臺控制噴頭或底板的運動，使兩者發(fā)生相對運動，從而使液滴滴落在既定位置；環(huán)境控制系統(tǒng)用于控制基底溫度、電場及噴頭周邊氣氛的濕度等環(huán)境參數(shù)；觀測系統(tǒng)用于觀測液滴滴落的過程及液滴滴落后的蒸發(fā)與溶質(zhì)結(jié)晶的過程，并可根據(jù)觀測結(jié)果調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，以便更精確地調(diào)整噴射的過程。

1.2 噴射系統(tǒng)

如圖2所示，基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射系統(tǒng)主要由交變滯慣力微滴噴射系統(tǒng)與靜電力發(fā)生器兩部分組成。交變滯慣力微滴噴射系統(tǒng)主要由波形發(fā)生器、功率放大器、柱狀壓電陶瓷及石英噴頭等組成。根據(jù)計算出的波形在計算機(jī)上通過Matlab程序或Excel繪制波形圖并生成csv文件，然后將該波形輸入至33500B型波形發(fā)生器中，該波形發(fā)生器可根據(jù)輸入的波形輸出任意波形。XE501-A1型功率放大器可將波形發(fā)生器輸出的波形進(jìn)行放大，以適配柱狀壓電陶瓷所需的控制功率。120VS12型壓電陶瓷在波形發(fā)生器與功率放大器的驅(qū)動下產(chǎn)生微小位移并帶動噴頭上下運動，進(jìn)而噴射出微小液滴。

圖1 典型的基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

BGG40-13型靜電力發(fā)生器可產(chǎn)生穩(wěn)定的高至40 kV的靜電。利用該靜電，可輔助交變滯慣力微滴噴射系統(tǒng)噴射出更小的液滴。

圖2 微滴噴射系統(tǒng)示意圖

1.3 運動系統(tǒng)

運動平臺主要由兩條KK6010C-300A1-F0型伺服電機(jī)軌道及其馬達(dá)、O2-0123-S-A0控制器、PMAC卡及一個LX70-R-25型單軸手動精密微調(diào)滑臺組成（圖3）。計算機(jī)通過PMAC卡帶動伺服電機(jī)軌道的控制器及其馬達(dá)控制伺服電機(jī)軌道的狀況，使噴頭與底板做相對運動，將液滴噴射至預(yù)定位置，形成既定的形狀。單軸手動精密微調(diào)平臺對噴頭與底板的相對高度進(jìn)行精密調(diào)整，使噴頭盡量接近底板又不會在噴射過程中碰撞底板。

圖3 運動系統(tǒng)示意圖

1.4 觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)主要是一套由HPX-6型高速攝影機(jī)及其補(bǔ)光裝置組成的高速攝影裝備。計算機(jī)與高速攝影機(jī)連接，通過計算機(jī)調(diào)整攝影機(jī)的參數(shù)，用于拍攝液滴產(chǎn)生的具體過程。通過高速攝影裝置可得到拍攝頻率高至50000幀、像素分辨率為1 μm、時長數(shù)秒的高速攝影圖片，并可通過拍攝的影像分析液滴的產(chǎn)生過程，推導(dǎo)出液滴產(chǎn)生時的大小、速度等物理性質(zhì)，并實時調(diào)整參數(shù)。

2 微滴噴射過程

如圖4所示，液滴產(chǎn)生的過程主要分為三個階段：

（1）液滴前移過程：當(dāng)控制器給予噴射系統(tǒng)一個噴射信號后，噴頭向前移動，同時帶動噴頭中的液滴跟隨其向前移動，并擁有一定的初速度。這是液滴產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

（2）連接液柱變細(xì)過程：當(dāng)噴頭向前移動一定距離后，速度變?yōu)榱?，而液滴繼續(xù)前移，液滴與噴管的連接柱由于表面張力和慣性力的綜合作用而開始變細(xì)。

（3）液滴分離過程：當(dāng)連接液柱繼續(xù)變細(xì)，連接液柱在表面張力的作用下發(fā)生斷裂，液體與噴頭分離而形成微小液滴。

圖4 液滴產(chǎn)生過程示意圖[11]

在液滴形成的過程中，主要需克服液體表面張力的作用。微滴噴射的難點在于：當(dāng)液滴尺寸減小時，其表面張力呈正比系數(shù)減小，而其質(zhì)量呈三次方減小。

表面張力的表達(dá)式為Fγ=γ·2πr，質(zhì)量的表達(dá)式

式中：γ為液體相對于空氣的表面張力；r為液滴半徑；ρ為液體密度；a為液體的加速度。

此處，當(dāng)引入一個縱向的靜電場時，則靜電力的大小隨著液滴尺寸的減小呈二次方減少，故較易形成更小的液滴。

故噴頭液滴所受的靜電力為：

若要形成液滴，則有：

即：

關(guān)于A的方程為：

關(guān)于R的方程為：

式中：ε為空氣的介電常數(shù)；U為靜電壓大小；d為噴頭距離底板的距離；R為引入電場力后的液滴半徑；A為引入電場力后的液滴加速度。

可明顯看出，當(dāng)r=R時，有 min（a）＞min（A）；當(dāng)a=A時，取參數(shù)，則：

又：

故有：

即有：

通過上述計算可得到如下結(jié)論：在噴頭加速度相同即噴頭運動狀態(tài)相同的情況下，加入靜電場的復(fù)合作用可形成較僅用交變滯慣力更小的液滴。若想所形成的液滴大小相同，可用更平滑的噴頭運動曲線。故可以說，在其他條件不變的情況下，靜電力的加入可使基于交變滯慣力的微滴噴射系統(tǒng)噴射出更小的液滴。

3 實驗觀察

根據(jù)前文所述及結(jié)論，以蒸餾水為實驗材料，使用噴頭直徑為15 μm的石英玻璃噴管，利用標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行噴射，實驗過程見圖5。

圖5 加載靜電力對微滴噴射的影響

第一組實驗僅基于交變滯慣力的微滴噴射系統(tǒng)。在0 ms時，噴頭開始前移；0.2 ms時，噴頭前移了一小段距離；0.3 ms時，液滴出現(xiàn)在噴頭位置并產(chǎn)生晃動，但沒有產(chǎn)生液體柱；0.4 ms時，液體上移，產(chǎn)生掛壁現(xiàn)象，并未滴下來；0.6、0.9 ms時，液體均繼續(xù)上移并附著在噴頭表面，沒有產(chǎn)生液滴。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因正如前文所述：液滴形成的過程需克服液體表面張力的作用；微滴噴射的主要難點在于，當(dāng)液滴尺寸減小時，其表面張力呈正比系數(shù)減小，其質(zhì)量呈三次方減小。

第二組實驗使用了基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射系統(tǒng)。在0 ms時，噴頭開始前移；0.2 ms時，噴頭前移了一小段距離且有一部分液體噴出；0.3 ms時，液體與噴頭分離，可見液滴與噴頭的尺寸基本相等，可推斷出液滴直徑約為15 μm；0.4 ms時，液滴接觸底板，噴頭上的剩余液體也呈球狀繼續(xù)掛在噴頭前；0.6 ms時，掛在噴頭上的液體變多，但未產(chǎn)生上移掛壁現(xiàn)象；0.9 ms時，掛在噴頭上的液體有減少趨勢，且僅存在于噴頭附近，也未上移，經(jīng)過一段時間后，液體完全浸入噴管中，恢復(fù)噴射前的狀態(tài)。

但是，若加載的電壓過高也會產(chǎn)生不止生成一個液滴的情況。同樣，以蒸餾水為實驗材料，使用直徑最細(xì)處為15 μm的石英玻璃管為噴頭，以波形曲線為方波型號。如圖6所示，第一排加載的靜電壓為6 kV，第二排加載的靜電壓為3 kV，第三排加載的靜電壓為1.5 kV?？梢?，在1.5 kV靜電壓下，噴頭上下運動時會產(chǎn)生一個直徑略大于噴口直徑的微小液滴，且只有單個液滴噴出，液滴基本不存在偏轉(zhuǎn)情況；待液滴噴出后，會留有一個球狀液體并黏附于噴口附近，該球狀液體會在零點幾微秒內(nèi)縮回噴管中，并不再出現(xiàn)。在3 kV靜電壓下，依然只會產(chǎn)生一個液滴，但液滴尺寸略大，約為噴頭直徑的二倍以上，且在液滴下落過程中產(chǎn)生了側(cè)向位移，并不像在低電壓下只有z軸方向的運動。而在6 kV靜電壓下，噴頭上下運動時相繼產(chǎn)生了二個微小液滴，其直徑約為噴頭直徑的二倍，略大于低電壓下的微滴直徑，且產(chǎn)生的液滴向右側(cè)噴出，而不是只向下運動，對于其位置精度的控制造成了一定的誤差；此外，該情況下的噴管在噴射完液滴后發(fā)生了射流，射出了一串小液滴。由此可見，靜電壓過大也會給微滴的形成造成一定的問題。

圖6 靜電壓大小對微滴噴射的影響

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型的基于交變滯慣力與靜電力復(fù)合的微滴噴射技術(shù)，可穩(wěn)定、快速地噴出直徑約15 μm甚至更小的液滴。基于該技術(shù)搭建了一套微滴噴射系統(tǒng)，可方便地觀測液滴滴落的過程、分析液滴的產(chǎn)生機(jī)理及調(diào)整微滴噴射系統(tǒng)的參數(shù)。