氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

朱濤，張遠(yuǎn)明，宋時(shí)雨，王子文，侯宗香

氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

朱濤a，張遠(yuǎn)明b*，宋時(shí)雨b，王子文a，侯宗香

（臨沂大學(xué) a.自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 b.機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000；蘇丹依德里斯教育大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)院，馬來(lái)西亞 霹靂州 丹戎馬琳市 35900）

探究氣溶膠微噴射曲面共形打印過(guò)程中的影響因素，并研究這些因素對(duì)打印線條最小特征線寬及形貌的影響規(guī)律。針對(duì)微噴射曲面共形打印的影響因素，構(gòu)建基于數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究模式?；谟?jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬，對(duì)微噴射曲面共形打印過(guò)程中噴印頭內(nèi)氣溶膠流束噴射的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。采用控制變量法研究氣體流量、工作距離以及噴嘴大小對(duì)打印過(guò)程及打印線條的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最小特征線寬隨鞘氣流量的增大而逐漸減小，隨載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑的增大而逐漸增大。當(dāng)載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm時(shí)，打印線條的最小特征線寬可達(dá)43 μm，且未出現(xiàn)明顯衛(wèi)星液滴、沉積空洞及顆粒過(guò)噴等缺陷。載氣流量、鞘氣流量、工作距離與噴嘴直徑等因素顯著影響了微噴射曲面共形打印柔性電路的最小特征線寬及微觀形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)具有相同的變化規(guī)律，驗(yàn)證了微噴射曲面共形打印仿真的可行性，為微噴射曲面共形打印的研究奠定了基礎(chǔ)。

氣溶膠微噴射；曲面共形打印；計(jì)算流體力學(xué)（CFD）；仿真分析；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

氣溶膠微噴射打?。ˋerosol Micro-jet Printing，AMJP）技術(shù)是一種利用惰性氣體將液態(tài)材料霧化并打印成精細(xì)顆粒的技術(shù)，常被應(yīng)用于微型器件制造、生物醫(yī)學(xué)、納米材料等領(lǐng)域[1-2]。該技術(shù)利用氣流控制顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，在所需打印的位置上自動(dòng)噴射顆粒，并使其凝固成形，具有高分辨率、低成本、不接觸等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。一方面，AMJP技術(shù)具有不接觸、兼容大多數(shù)材料等特點(diǎn)，可在非平面結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)微電子圖案的直接共形打印。另一方面，基于AMJP技術(shù)的曲面共形打印可以將傳統(tǒng)的平面加工向三維空間擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)非平面基底的快速制造，提高制造的靈活性和可靠性，節(jié)約大量的制造成本和時(shí)間。因此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域[7-12]。

盡管AMJP技術(shù)在許多領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前該工藝仍存在著一些挑戰(zhàn)和限制。在打印過(guò)程中，AMJP技術(shù)的精度和可靠性受到氣溶膠多相流的流量、壓力、噴嘴直徑和噴射距離等多種因素的影響。因此，在不同的打印任務(wù)中，需要針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)用AMJP技術(shù)在平面基底下打印微導(dǎo)電圖案的成形精度進(jìn)行了廣泛研究[13-15]。為提高對(duì)流場(chǎng)行為的理解，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化AMJP技術(shù)，還對(duì)AMJP技術(shù)在二維基底打印工作過(guò)程中涉及的氣溶膠傳輸、沉積過(guò)程以及液滴狀態(tài)進(jìn)行了相關(guān)流體動(dòng)力學(xué)研究。Salary等[16]建立了一個(gè)基于物理的計(jì)算平臺(tái)，用于預(yù)測(cè)氣溶膠流動(dòng)狀態(tài)并最終實(shí)現(xiàn)了AMJP過(guò)程的物理驅(qū)動(dòng)控制，對(duì)打印噴頭以及氣動(dòng)霧化器內(nèi)部氣流進(jìn)行了有限元仿真分析，并針對(duì)氣體流量這一因素進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為實(shí)施物理驅(qū)動(dòng)的AMJP原位監(jiān)測(cè)和控制奠定了基礎(chǔ)。Chen等[17]開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的氣溶膠載氣流（CGF）的三維CFD模型，并使用該模型精確分析了標(biāo)準(zhǔn)AMJP過(guò)程中控制過(guò)度噴涂的基本流體力學(xué)原理，模擬分析了油墨流中各種尺寸的單分散液滴軌跡，以揭示液滴尺寸和氣流速率之間復(fù)雜的相互作用產(chǎn)生的過(guò)噴現(xiàn)象。此外，在平面基底下進(jìn)行制造柔性電子器件，可能存在曲面基底與復(fù)雜曲面不兼容的問(wèn)題，因此，利用AMJP技術(shù)在復(fù)雜曲面上直接共行打印可以高效解決此問(wèn)題并節(jié)約制造成本與時(shí)間。AMJP的材料選擇范圍相對(duì)較窄，只能處理特定類型的可溶或可分散物質(zhì)，而無(wú)法直接噴印未經(jīng)處理的原材料。在曲面上打印時(shí)，AMJP容易面臨氣溶膠因表面變化而聚集或分散，從而導(dǎo)致打印質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，Chen等[18]提出基于AMJP在紙基底上打印導(dǎo)電銀納米材料的方法及其關(guān)鍵工藝控制，結(jié)果表明，所打印結(jié)構(gòu)的片電阻測(cè)量值為1.13×10?2Ω/m2，相當(dāng)于大于106S/m的導(dǎo)電率，接近塊體銀（6.30× 107S/m）的導(dǎo)電率。Blumenthal等[19]探究了AMJP對(duì)不同基板（如玻璃、聚合物、紙等）的適應(yīng)性，他們使用氣溶膠噴印與三軸聯(lián)動(dòng)控制在復(fù)雜曲面上對(duì)天線和傳感器進(jìn)行了共形打印，并證明AMJP可以在1～11 mm的間距范圍內(nèi)均勻地在曲面基底上沉積。Paulsen等[20]提出了基于AMJP在3D結(jié)構(gòu)上打印共形電子的方法，并研究了共形相控陣天線、嵌入式電路和傳感器以及電子封裝的制造工藝。此外，還有學(xué)者嘗試將AMJP與其他先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高精度、更復(fù)雜的曲面打印。Chen等[21]提出將AMJP與閃光燒結(jié)相結(jié)合，在非平面3D曲面上打印納米導(dǎo)線并立即燒結(jié)，快速且高效地打印了共形電路。Langford等[22]使用AMJP將天線、微帶線和匹配電路結(jié)構(gòu)作為單個(gè)元件印刷在3D曲面上，并將其組合成射頻系統(tǒng)，得出由AMJP制造的537 Ω電阻能夠處理高達(dá)15 W的連續(xù)功率而不會(huì)出現(xiàn)故障的結(jié)論。上述學(xué)者利用AMJP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非平面基底下的導(dǎo)線打印，但并未對(duì)AMJP工作過(guò)程進(jìn)行相關(guān)的研究分析，且打印的導(dǎo)線線寬在毫米級(jí)，未進(jìn)行相關(guān)的打印工藝優(yōu)化。

目前針對(duì)AMJP主要的研究方向是改進(jìn)打印設(shè)備并優(yōu)化打印流程，以提高打印效率和質(zhì)量。本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)氣溶膠顆粒的物理行為以及打印過(guò)程中多相流的狀態(tài)變化，通過(guò)仿真分析鞘氣流量、載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑對(duì)打印過(guò)程的影響，并采用仿真總結(jié)得出的不同工藝參數(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诜抡娣治龊蛯?shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，實(shí)現(xiàn)AMJP曲面共形打印的流場(chǎng)分析和打印參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)，以期為微噴射曲面共形打印實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 方法

采用ZK-DryCure-Ag納米銀顆粒導(dǎo)電油墨（山東中科智能設(shè)備有限公司），粒子直徑<50 nm，墨水黏度為0.004～0.01 Pa·s，納米銀顆粒固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10%，鞘氣和載氣均為干燥的高壓氮?dú)?。打印基底采用山東中科智能設(shè)備有限公司生產(chǎn)的半球模型基底，半徑為50 mm。

采用自主研發(fā)的氣溶膠微噴射曲面共形打印裝置，如圖1所示，在半球基底上共形打印導(dǎo)電線路，研究不同載氣流量（s）、鞘氣流量（c）、工作距離（）、噴嘴直徑（）對(duì)微噴射曲面共形打印的影響。在保持載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm的情況下，改變鞘氣流量，研究鞘氣流量對(duì)曲面共形打印的影響。同理，通過(guò)控制變量法研究載氣流量、工作距離、噴嘴直徑對(duì)曲面共形打印的影響，微噴射曲面共形打印的實(shí)驗(yàn)因素如表1所示。選擇DZF-6020BZ真空干燥箱（上海儀昕科學(xué)儀器有限公司）在150 ℃下加熱30 min對(duì)打印導(dǎo)電線路燒結(jié)固化，使用CMY-290三目金相顯微鏡（上光儀器有限公司）觀察分析導(dǎo)電線條的微觀形貌。

圖1 微噴射曲面共形打印裝置

表1 微噴射曲面共形打印單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 模型假設(shè)及控制方程

噴嘴內(nèi)的氣溶膠流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的多相流動(dòng)過(guò)程，涉及顆粒的輸運(yùn)、碰撞和沉積等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)過(guò)程。噴嘴內(nèi)部的多相流仿真分析有利于在實(shí)際中提高氣溶膠微噴射打印過(guò)程中的噴射精度，并且可對(duì)噴嘴內(nèi)部多相流的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行可視化分析，揭示氣溶膠多相流噴射過(guò)程的變化規(guī)律，快速評(píng)估工藝參數(shù)對(duì)柔性電路成形的影響，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供參考。在氣溶膠微噴射曲面共行打印過(guò)程中，多相流的本質(zhì)是固體納米銀顆粒懸浮在液態(tài)的溶劑中形成由載氣運(yùn)輸?shù)撵F化液滴，氣溶膠流束在氣噴印頭內(nèi)，受到多種因素影響，為便于理論模型的計(jì)算，做出如下假設(shè)：1）在微噴射曲面共形打印過(guò)程中，氣溶膠與鞘氣不壓縮；2）在氣溶膠流束中，納米銀顆粒與氮?dú)獾捏w積比遠(yuǎn)小于10%，采用離散相模型計(jì)算，假設(shè)離散相顆粒與連續(xù)相顆粒的速度相同，并且顆粒均為非旋轉(zhuǎn)的均勻圓球形；3）所提出的CFD模型不考慮油墨與基底的相互作用；4）本次實(shí)驗(yàn)計(jì)算所需氣噴印頭內(nèi)部雷諾數(shù)<2 300，鞘氣與氣溶膠流束處于層流狀態(tài)[23]。

在CFD模擬過(guò)程中，采用基于密度的Navier-Stokes方程求解微噴射打印噴頭內(nèi)的多相流問(wèn)題。密度場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分別由連續(xù)性微分方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程給出，氮?dú)獾馁|(zhì)量密度和動(dòng)態(tài)黏度則分別使用理想氣體狀態(tài)方程和Sutherland公式模擬計(jì)算得出，描述氣體剪切黏度的Sutherland公式如式（1）所示[24-25]。

式中：為氣體黏度；0為參考溫度，通常為273.15 K；0為參考溫度0下的氣體黏性系數(shù)；S為氣體的Sutherland常數(shù)，表示氣體分子間碰撞影響的強(qiáng)度。剪切流中氣溶膠微滴的運(yùn)動(dòng)由牛頓第二定律確定，如式（2）所示。

式中：d為流體的動(dòng)力黏度；為顆粒的直徑；為阻力系數(shù)。作用在氣溶膠微滴上的薩夫曼升力如式（6）所示，式（6）描述了在載氣中運(yùn)動(dòng)的霧化液滴所經(jīng)歷的升力。

1.2.2 微噴射共形打印噴頭CFD建模

本文根據(jù)微噴射共形打印噴頭裝置（見(jiàn)圖2a），使用AutoCAD建立了CFD模型（見(jiàn)圖2b），創(chuàng)建了由載氣進(jìn)氣口、鞘氣進(jìn)氣口、噴印倉(cāng)、毛細(xì)噴嘴和獨(dú)立固定曲面基底所組成的流體域的二維模型，并定義了以下5種邊界：載氣速度入口（Inlet-M）、鞘氣速度入口（Inlet-L、Inlet-R）、固定壁（Wall）、壓力出口（Outlet）、曲面基底固定壁（Wall-S）。

1.3 數(shù)據(jù)分析與表征處理

在打印過(guò)程中，打印油墨經(jīng)霧化成液滴后，通過(guò)氣管輸送到微噴印倉(cāng)內(nèi)，并由鞘氣包裹，以達(dá)到自清潔、壓縮射流的作用。霧化液滴穿過(guò)噴嘴到達(dá)毛細(xì)噴嘴出口處，并沉積到曲面基底上。本文的重點(diǎn)是對(duì)微噴射曲面共形打印過(guò)程中的影響因素進(jìn)行研究，以微噴射打印噴嘴內(nèi)部氣溶膠流束為主要研究對(duì)象，采用仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行研究。在仿真分析的數(shù)據(jù)處理時(shí)，氣體流量的特征點(diǎn)主要在鞘氣與載氣聚焦處以及噴嘴出口處，因此在仿真結(jié)果的處理中需要重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)位置。工作距離的改變主要體現(xiàn)在噴嘴出口與曲面基底之間顆粒軌跡的變化，因此仿真研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注出口與基底間的顆粒軌跡。噴嘴直徑的改變會(huì)影響氣溶膠流束進(jìn)入毛細(xì)噴嘴的流量以及噴嘴口噴射出的流量，因此，對(duì)噴嘴直徑的仿真研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注毛細(xì)噴嘴的入口處以及微噴射打印噴嘴的出口處。

本文選取仿真所得噴嘴口處氣溶膠流束的直徑為模擬最小特征線寬（SLW），如圖3a所示。采用Binder等[26]提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)B確定最小特征線寬，將超過(guò)顆粒最大堆積密度50%的顆粒區(qū)域視為實(shí)際最小特征線寬（ALW）判定標(biāo)準(zhǔn)，并忽略邊緣衛(wèi)星液滴對(duì)最小特征線寬測(cè)量的影響。

圖2 微噴射共形打印噴頭與CFD模型

圖3 SLW（a）與ALW（b）判定標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣體流量

在微噴射共形打印中，氣體流量是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，它直接影響到噴射打印過(guò)程中的顆粒軌跡，從而影響了打印質(zhì)量。當(dāng)氣體流量較小時(shí)，氣溶膠顆粒噴出后會(huì)受周圍氣流的干擾，造成顆粒不均勻分散、漂移速度慢，甚至方向偏差等問(wèn)題；反之，當(dāng)氣體流量過(guò)大時(shí)，則可能會(huì)造成顆粒過(guò)度分散，進(jìn)而影響其沉積位置，造成偏移。因此，合理選擇氣體流量可以改善氣溶膠顆粒的分散度和漂移速度，從而提高微噴射打印的成功率和準(zhǔn)確率。為了方便分析，本文定義聚焦比R為鞘氣流量與載氣流量的比值。

保持載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm不變，改變鞘氣流量s分別為50、100、200、300、400、500、600 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5、6，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示?？芍S著鞘氣流量的增大，氣噴印腔內(nèi)鞘氣的壓縮逐漸增強(qiáng)，氣溶膠射流逐漸變細(xì)。當(dāng)鞘氣流量為50 mL/min時(shí)，由于鞘氣流量過(guò)小，導(dǎo)致在氣噴印倉(cāng)氣流匯聚處鞘氣的壓縮效果不明顯，霧化液滴有小部分會(huì)隨著載氣流入鞘氣進(jìn)氣口內(nèi)，同時(shí)鞘氣并未起到明顯的聚焦、準(zhǔn)直作用，噴嘴口處噴出的氣溶膠流束直徑過(guò)寬（見(jiàn)圖4a）。隨著鞘氣流量的逐漸增大，鞘氣的聚焦作用逐漸增大，氣溶膠流束的直徑逐漸減小。當(dāng)鞘氣流量增大到600 mL/min時(shí)，由于鞘氣流量過(guò)大，載氣所運(yùn)輸?shù)撵F化液滴無(wú)法輸送到噴嘴腔內(nèi)，導(dǎo)致氣溶膠射流無(wú)法噴出，曲面基底上出現(xiàn)無(wú)射流沉積現(xiàn)象，如圖5所示。

圖4 不同鞘氣流量下的噴印頭內(nèi)部仿真圖

保持鞘氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm不變，改變載氣流量c分別為200、100、50、33.3、25、20 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示?？芍诒３智蕷饬髁坎蛔兊那闆r下，隨著載氣流量的逐漸減小，氣溶膠流束的直徑逐漸減小。這主要與以下2個(gè)方面有關(guān)：隨著載氣流量的逐步減小，氣噴印倉(cāng)內(nèi)鞘氣起到的聚焦準(zhǔn)直作用逐漸增強(qiáng)，對(duì)氣溶膠流束的壓縮作用逐步增強(qiáng)，該現(xiàn)象的形成與鞘氣流量增大的原理相似；由于載氣流量逐漸減小，載氣所運(yùn)輸?shù)撵F化液滴的質(zhì)量呈遞減趨勢(shì)，氣溶膠流束中霧化液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，相應(yīng)氣溶膠流束的直徑減小。

選取載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm，改變鞘氣流量s分別為50、100、200、300、400、500 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到不同鞘氣流量對(duì)最小特征線寬的影響。選取鞘氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm，改變載氣流量c分別為200、100、50、33.3、25、20 mL/min，同樣使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到不同載氣流量對(duì)最小特征線寬的影響。仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知，當(dāng)載氣流量為100 mL/min時(shí)，隨著鞘氣流量的增大，氣體流量聚焦比逐漸增大，SLW與ALW隨聚焦比的增大都呈減小的趨勢(shì)，并且最小特征線寬的模擬值低于實(shí)驗(yàn)所得最小特征線寬，這是因?yàn)樵趶膰娮斓角婊滓约俺练e到曲面基底的過(guò)程中，由于不可避免的物理散射和擴(kuò)散現(xiàn)象，氣溶膠流束的直徑逐漸增大，從而使最小特征線寬的模擬值低于實(shí)驗(yàn)所得實(shí)際值。同理，由圖7b可知，當(dāng)鞘氣流量為100 mL/min時(shí)，隨著載氣流量的增大，氣體流量聚焦比逐漸減小，沉積到曲面基底上的最小特征線寬呈增大的趨勢(shì)。綜合最小特征線寬隨氣體流量的變化結(jié)果可知，SLW與ALW呈相同的變化趨勢(shì)，且SLW始終低于ALW。

固定載氣流量、不同聚焦比條件下的線條形貌如圖8所示?？芍?dāng)聚焦比R=0.5時(shí)，由于鞘氣流量數(shù)值過(guò)小，對(duì)氣溶膠流束的聚焦壓縮、準(zhǔn)直作用不明顯，導(dǎo)致沉積在曲面基底上的打印線條最小特征線寬過(guò)大，并且伴隨有嚴(yán)重的邊緣鋪展現(xiàn)象。在保持載氣流量不變的情況下，隨著鞘氣流量的逐漸增大，鞘氣的壓縮準(zhǔn)直作用逐漸明顯，氣溶膠流束在沉積到曲面基底時(shí)向打印線條的中間聚攏，最小特征線寬顯著減小，邊緣鋪展現(xiàn)象得到抑制。但是當(dāng)鞘氣流量大于400 mL/min時(shí)，由于鞘氣流量過(guò)大，噴嘴口處的流速過(guò)大，導(dǎo)致沉積到曲面基底上的氣溶膠液滴減少，并且會(huì)伴隨產(chǎn)生嚴(yán)重的衛(wèi)星液滴與沉積空洞現(xiàn)象。

固定鞘氣流量、不同聚焦比條件下的線條形貌如圖9所示?？芍?，當(dāng)R為0.5～1時(shí)，沉積線條的最小特征線寬過(guò)大且出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)噴現(xiàn)象，這表明在過(guò)高的載氣流量條件下，噴射出的霧化液滴過(guò)多，沉積到曲面基底上的射流發(fā)生擴(kuò)散，從而影響了打印線條的質(zhì)量。當(dāng)R增大到4時(shí)，載氣流量逐漸減小到25 mL/min，由于載氣流量降低，鞘氣的作用逐漸明顯，沉積線條的特征線寬明顯減小并呈現(xiàn)出更細(xì)致和清晰的形貌。繼續(xù)降低載氣流量至20 mL/min，可觀察到打印線條的特征線寬仍呈明顯遞減的趨勢(shì)，然而，由于載氣流量過(guò)小，沉積到曲面基底上的霧化液滴過(guò)少，沉積線條出現(xiàn)了嚴(yán)重的沉積空洞以及衛(wèi)星液滴。

圖5 鞘氣流量為600 mL/min時(shí)的仿真圖

圖6 不同載氣流量下的噴印頭內(nèi)部仿真圖

圖7 最小特征線寬隨氣體流量變化曲線

圖8 固定載氣流量、不同聚焦比下的線條形貌

圖9 固定鞘氣流量、不同聚焦比下的線條形貌

2.2 工作距離

保持載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、噴嘴直徑為500 μm不變，改變工作距離分別為1、2、3、4、5 mm，進(jìn)行仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。可知，當(dāng)工作距離為1～2 mm時(shí)，由于噴嘴與曲面基底間的距離過(guò)小，在離開(kāi)噴嘴后鞘氣不能及時(shí)起到良好的準(zhǔn)直、壓縮作用，并且由于噴出液滴的初速度過(guò)大，沉積到基底上的氣溶膠流束的速度過(guò)大，液滴發(fā)生飛濺，出現(xiàn)了衛(wèi)星液滴。隨著工作距離的逐漸增大，鞘氣有足夠的空間發(fā)揮作用，衛(wèi)星液滴得到抑制，當(dāng)工作距離增大到5 mm時(shí)，噴嘴與曲面基底之間的距離過(guò)大，鞘氣隨著距離的增大而逐漸減弱，氣溶膠流束出現(xiàn)不可避免的物理散射現(xiàn)象，沉積到曲面基底上的打印線條伴隨出現(xiàn)邊緣鋪展的過(guò)噴現(xiàn)象。

選取仿真結(jié)果中沉積到基底位置的顆粒軌跡寬度為模擬最小特征線寬（SLW），統(tǒng)計(jì)SLW與實(shí)際打印線寬ALW，如圖11所示。可知，最小特征線寬數(shù)值整體呈增大的趨勢(shì)，SLW與ALW呈相同的變化趨勢(shì)，并且仿真的最小特征線寬預(yù)測(cè)值要低于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)值。這是由于所取預(yù)測(cè)值為顆粒接觸到曲面基底時(shí)的軌跡寬度，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中沉積到曲面基底的顆粒會(huì)不可避免地隨著運(yùn)輸氣體發(fā)生流動(dòng)擴(kuò)散以及彈射。當(dāng)工作距離小于2 mm時(shí)，由于噴嘴與曲面基底間的距離過(guò)小，鞘氣沒(méi)有足夠的空間進(jìn)行約束，氣溶膠流束的寬度未得到充分壓縮，并且，噴嘴口處的初速度過(guò)大，噴射出的液滴在基底上發(fā)生飛濺，導(dǎo)致沉積到曲面基底上的線寬數(shù)值略高。當(dāng)工作距離增大到2～ 3 mm時(shí)，鞘氣的約束作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，打印線條的寬度出現(xiàn)短暫減小的趨勢(shì)。當(dāng)工作距離大于3 mm時(shí)，由于工作距離過(guò)大，鞘氣的約束作用逐漸減弱，噴射出的氣溶膠液滴在曲面基底上得到過(guò)分?jǐn)U散，從而形成較寬的打印線條，沉積到基底上的最小特征線寬數(shù)值明顯增大。

圖10 不同工作距離下的噴印頭內(nèi)部仿真圖與線條形貌

圖11 最小特征線寬隨工作距離的變化曲線

2.3 噴嘴直徑

保持載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm不變，改變噴嘴直徑分別為100、300、400、500、600、800 μm，進(jìn)行仿真分析，顆粒軌跡與速度仿真結(jié)果如圖12所示?？芍?dāng)噴嘴直徑為100 μm時(shí)，由于噴嘴直徑過(guò)小，隨載氣進(jìn)入毛細(xì)噴嘴內(nèi)部的氣溶膠液滴過(guò)少，噴射出噴嘴的氣溶膠流束直徑過(guò)小。隨著噴嘴直徑的增大，進(jìn)入毛細(xì)噴嘴的氣溶膠液滴逐漸增多，相應(yīng)噴嘴口處射出的氣溶膠流束直徑增大。

選取鞘氣流量為400 mL/min、載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm，改變噴嘴直徑分別為300、500、800 μm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示?？芍?，隨噴嘴直徑的增大，最小特征線寬逐漸增大，SLW與ALW的變化趨勢(shì)相同，且SLW仍始終低于ALW。不同噴嘴直徑下的線條形貌如圖14所示。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)噴嘴直徑為300 μm時(shí)，噴嘴出口直徑過(guò)小，出口處壓力過(guò)大，導(dǎo)致噴出的氣溶膠流束速度較快，載氣運(yùn)輸?shù)撵F化液滴較少，從而沉積到曲面基底上時(shí)發(fā)生液滴飛濺，從而出現(xiàn)衛(wèi)星液滴與沉積空洞的現(xiàn)象。隨著噴嘴直徑的增大，噴嘴口處的壓力逐漸減小，氣溶膠流束速度逐漸減弱，并且噴射出的霧化液滴變多，氣溶膠流束的橫截面積變大，導(dǎo)致沉積在曲面基底上的最小特征線寬數(shù)值變大，當(dāng)直徑增大到800 μm時(shí)，伴隨有邊緣鋪展的過(guò)噴現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖12 不同噴嘴直徑下噴印頭內(nèi)部仿真圖

圖13 最小特征線寬隨噴嘴直徑的變化曲線

2.4 曲面基底下導(dǎo)電線路的打印

根據(jù)上述仿真與實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，選取鞘氣流量為400 mL/min、載氣流量為100 mL/min、噴嘴直徑為500 μm、工作距離為3 mm，以納米銀顆粒墨水為打印材料，以半球基底與3D打印的鞋墊為打印基底，打印導(dǎo)電線路，以實(shí)現(xiàn)電子線路在復(fù)雜曲面基底下的共形打印。曲面基底下的電子線路如圖15所示。可以看到，打印線條的精度與質(zhì)量遠(yuǎn)高于使用傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)所得到的打印線條的。柔性電子器件的制作通常需要將某一復(fù)雜的微導(dǎo)電圖案打印在柔性基底上，并在封裝完成后將其應(yīng)用在不規(guī)則曲面上。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，AMJP技術(shù)能夠在復(fù)雜曲面基底下實(shí)現(xiàn)直接的共形打印。這項(xiàng)技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了制作流程，并解決了柔性基底和復(fù)雜曲面表面可能產(chǎn)生的不兼容問(wèn)題。因此，AMJP技術(shù)非常適用于不規(guī)則曲面上柔性電子器件的制作。

圖14 不同噴嘴直徑下的線條形貌

圖15 曲面基底下的電子線路

3 結(jié)論

通過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，研究了曲面基底下微噴射曲面共形打印的影響因素對(duì)打印線條最小特征線寬以及線條形貌的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）在氣溶膠微噴射曲面共形打印過(guò)程中，載氣流量、鞘氣流量、工作距離以及噴嘴直徑等因素都對(duì)打印線條的最小特征線寬有顯著影響。最小特征線寬隨鞘氣流量的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，隨載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑的增大呈逐漸增大的趨勢(shì)。

2）通過(guò)基于離散相模型的仿真分析，預(yù)測(cè)并優(yōu)化了工藝參數(shù)對(duì)微噴射曲面共形打印結(jié)果的影響，為實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究獲取了實(shí)際的打印數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究，確定當(dāng)載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm時(shí)，打印線條的最小特征線寬可達(dá)43 μm并且線條無(wú)明顯的衛(wèi)星液滴和沉積擴(kuò)散等缺陷。

[1] SECOR E B. Principles of Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2018, 3(3): 035002.

[2] WILKINSON N J, SMITH M A A, KAY R W, et al. A Review of Aerosol Jet Printing-A Non-Traditional Hybrid Process for Micro-Manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 105(11): 4599-4619.

[3] ALHENDI M, SIVASUBRAMONY R S, WEERAW-AR-NE D L, et al. Assessing Current-Carrying Capacity of Aerosol Jet Printed Conductors[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(11): 202000520.

[4] VLNIESKA V, GILSHTEIN E, KUNKA D, et al. Aerosol Jet Printing of 3D Pillar Arrays from Photopolymer Ink[J]. Polymers, 2022, 14(16): 3411.

[5] KRZEMINSKI J, KANTHAMNENI A, WAGNER D, et al. Microscale Hybrid Flexible Circuit Printed with Aerosol Jet Technique[J]. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2018, 17(5): 979-984.

[6] JABARI E, TOYSERKANI E. Aerosol-Jet Printing of Highly Flexible and Conductive Graphene/Silver Patterns[J]. Materials Letters, 2016, 174(1): 40-43.

[7] HUNG K Y, CHANG Y T, CHIEN C H, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Process on FR-4 Substrate[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3/4): 1-10.

[8] HINES D R, GU Y, MARTIN A A, et al. Considerations of Aerosol-Jet Printing for the Fabrication of Printed Hybrid Electronic Circuits[J]. Additive Manufacturing, 2021, 47: 102325.

[9] EBERHARDT, WOLFGANG, ZIMMERMANN, et al. Inkjet and Aerosol Jet (R) Printed Sensors on 2D and 3D Substrates[J]. Technisches Messen: Sensoren, Gerate, Systeme, 2016, 83(3): 139-146.

[10] HUNG Kuan-yi, CHANG Yi-tse, CHIEN Chih-hsuan, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Processon FR-4 Substrate[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3a4): 1147-1156.

[11] 朱濤, 張遠(yuǎn)明, 宋時(shí)雨, 等. 氣溶膠微噴射打印柔性電路成形工藝研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(6): 183-192.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Forming Process of Flexible Circuit Based on Aerosol Micro-jet Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(6): 183-192.

[12] 雷濤, 劉秀利, 魏愷文. 基于3D打印的曲面共形天線液冷板設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程, 2022, 51(1): 42-47.

LEI Tao, LIU Xiu-li, WEI Kai-wen. Design and Manufacturing Technology of Liquid Cooling Plate for Curved Conformal Antenna Based on 3D Printing[J]. Mechanical Design and Manufacturing Engineering, 2022, 51(1): 42-47.

[13] YUCHAO Z, LINGKE Y, DEZHI W, et al. A High- Sensi-tivity Graphene Ammonia Sensor via Aerosol Jet Printing[J]. Sensors and Actuators: A Physical, 2021, 318: 112434.

[14] TAFOYA R R, SECOR E B. Understanding Effects of Printhead Geometry in Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2020, 5(3): 035004.

[15] 張?chǎng)蚊? 郭拉鳳, 張遠(yuǎn)明, 等. 氣溶膠噴墨打印工藝參數(shù)對(duì)圖案精度的影響[J]. 微納電子技術(shù), 2018, 55(9): 688-693.

ZHANG Xin-ming, GUO La-feng, ZHANG Yuan-ming, et al. Influences of Aerosol Inkjet Printing Process Parameters on the Pattern Accuracy[J]. Micro Nano Electronic Technology, 2018, 55(9): 688-693.

[16] SALARY R, LOMBARDI J, WEERAWARNE D, et al. A Computational Fluid Dynamics Investigation of Pneumatic Atomization, Aerosol Transport, and Deposition in Aerosol Jet Printing Process[J]. Journal of Micro and Nano-Manufacturing, 2021, 9(1): 4049958.

[17] CHEN G, GU Y, TSANG H, et al. The Effect of Droplet Sizes on Overspray in Aerosol-Jet Printing[J]. Advanced Engineering Materials, 2017, 20(8): 1701084.

[18] CHEN Y D, NAGARAJAN V, ROSEN D W, et al. Aerosol Jet Printing on Paper Substrate with Conductive Silver Nano Material[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 58(10): 55-66.

[19] BLUMENTHAL T, FRATELLO V, NINO G, et al. Conformal Printing of Sensors on 3D and Flexible Surfaces using Aerosol Jet Deposition[C]// San Diego: Nanosensors, Biosensors, and Info-Tech Sensors and Systems 2013, International Society for Optics and Photonics, 2013, 8691: 86910P.

[20] PAULSEN J A, RENN M, CHRISTENSON K, et al. Printing Conformal Electronics on 3D Structures with Aerosol Jet Technology[C]// Future of Instrumentation International Workshop (FIIW) Proceedings, Gatlinburg, 2012: 6378343.

[21] CHEN I M, LIU Y T, YU X W, et al. Aerosol Printing and Flash Sintering of Conformal Conductors on 3D Nonplanar Surfaces[J]. Manufacturing Letters, 2021, 31(1): 119-123.

[22] LANGFORD N, SHINA S. Using Conformal Printed Electronics for 3D Printed Antenna Systems Building Blocks[C]// 2019 Pan Pacific Microelectronics Symposium, Pan Pacific, 2019: 8696768.

[23] RAMESH S, MAHAJAN C, GERDES S, et al. Numerical and Experimental Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Additive Manufacturing, 2022, 59: 103090.

[24] 劉波, 舒霞云, 常雪峰, 等. 雙層鞘氣聚焦對(duì)氣溶膠噴印粉末匯聚特性的影響[J]. 微納電子技術(shù), 2022, 59(4): 365-372.

LIU Bo, SHU Xia-yun, CHANG Xue-feng, et al. Design and Experimental Study of Nanoparticle Aerosol Spray Printing System[J]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2022, 59(4): 365-372..

[25] 吳常健. 氣溶膠噴射打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廈門(mén): 廈門(mén)理工學(xué)院, 2020: 44-56.

WU Chang-jian. Design and Experimental Study of Aerosol Jet Printing System[D]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2020: 44-56.

[26] BINDER, SEBASTIAN, RAEDLEIN, et al. Analytical Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Aerosol Science and Technology: The Journal of the American Association for Aerosol Research, 2014, 48(9): 924-929.

Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing

ZHU Taoa, ZHANG Yuan-mingb*, SONG Shi-yub, WANG Zi-wena, HOU Zong-xiang

(a. College of Automation and Electrical Engineering, b. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276000, China; Computing and meta faculty, Universiti Pendidikan Sultan Idris, Tanjung Malim Perak 35900, Malaysia)

The work aims to explore the affecting factors in the aerosol micro-jet conformal printing process of curved surfaces, and study the impact rules of these factors on the minimum characteristic line width and morphology of the printed lines. For the affecting factors of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces, a research model based on numerical simulation and experimental verification was established. Based on computational fluid dynamics numerical simulation, the motion process of the aerosol jet inside the printing nozzle during the micro-jet conformal printing process of curved surfaces was simulated. The method of controlling variables was adopted to study the impact rules of gas flow, working distance and nozzle size on the printing process and printed lines, and single-factor experiments were designed for verification on this basis. The minimum characteristic line width showed a decreasing trend with the increase of the sheath gas flow and an increasing trend with the increase of the carrier gas flow, working distance and nozzle diameter. When the carrier gas flow was 100 mL/min, the sheath gas flow was 400 mL/min, the working distance was 3 mm, and the nozzle diameter was 500 μm, the minimum characteristic line width of the printed lines could reach 43 μm, and no obvious satellite droplets, cavity deposition and particle overspray defects were observed. Factors such as carrier gas flow, sheath gas flow, working distance and nozzle diameter significantly affect the minimum characteristic line width and micro-morphology of flexible circuits by aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces. The experimental results have the same changing rules as the simulation data, which verifies the feasibility of simulation of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces and lays the foundation for the study of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces.

aerosol micro-jet; curved surface conformal printing; computational fluid dynamics; simulation analysis; experimental verification

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.022

TH161；TH165

A

1674-6457(2023)11-0187-12

2023-06-26

2023-06-26

山東省自然科學(xué)基金（ZR2021ME109）；山東省創(chuàng)新能力提升工程（2022TSGC1340）

The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME109); Shandong Province Innovation Capacity Improvement Project Funding Project(2022TSGC1340)

朱濤, 張遠(yuǎn)明, 宋時(shí)雨, 等. 氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 187-198.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 187-198.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨