西安交通大學(xué)邵金友教授/田洪淼教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的超高墨滴速度壓電式噴墨打印策略，實(shí)現(xiàn)打印速度、打印距離、可打印墨水粘度等關(guān)鍵噴射性能的根本性提升，突破了當(dāng)前壓電式噴墨打印技術(shù)能力的邊界，有望在高速打印、遠(yuǎn)距離打印、“直接到形狀/對象”打?。ü残未蛴。┮约案哒扯炔牧洗蛴〉阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆性的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Piezoelectric Drop-on-Demand Inkjet Printing with Ultra-High Droplet Velocity”為題目發(fā)表在Research上。

Citation：

Yang Z, Tian H, Wang C, Li X, Chen X, Chen X, Shao J. Piezoelectric Drop-on-Demand Inkjet Printing with Ultra-High Droplet Velocity. Research2023;6: Article 0248.

https://doi.org/10.34133/research.0248

研究背景

當(dāng)前壓電式噴墨打印技術(shù)面臨的主要瓶頸問題之一是如何提高打印速度和打印距離。提高打印速度意味著提高生產(chǎn)力和降低成本，這無疑是永恒的追求。提高打印距離則意味著可以面向非規(guī)則表面直接進(jìn)行打?。?ldquo;直接到形狀/對象”打?。?這將擴(kuò)展壓電式噴墨的打印能力，滿足“共形電子”、“結(jié)構(gòu)電子”等新興領(lǐng)域非平面器件的打印需求。盡可能提高墨滴速度被認(rèn)為是提高打印速度和打印距離的關(guān)鍵。然而，提高墨滴速度需要同時解決三個棘手且自相矛盾的難題，即：（1）提高壓電打印頭的驅(qū)動力從而提高初始墨滴速度；（2）消除高驅(qū)動力高初始墨滴速度下必然出現(xiàn)的衛(wèi)星液滴;（3）減弱高驅(qū)動力高初始墨滴速度下必然增大的空氣阻力。按照經(jīng)典的壓電式噴墨打印理論與方法，這幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，經(jīng)典壓電式噴墨打印的墨滴速度一般只有5-8m/s（距離噴嘴1mm處），相應(yīng)的高質(zhì)量打印的打印速度與打印距離一般被限制在數(shù)十至數(shù)百mm/s（通常最大值，500mm/s）和0.5~2mm（通常為1mm）的范圍內(nèi)。

研究進(jìn)展

西安交通大學(xué)邵金友教授/田洪淼教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了在高頻壓電式噴墨打印過程中的自調(diào)整機(jī)制，通過對壓電打印頭內(nèi)部/外部的積極串?dāng)_效應(yīng)的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了壓電打印頭驅(qū)動壓力的自增強(qiáng)、衛(wèi)星墨滴的自消除、空氣阻力的自減弱，有效解決了限制墨滴速度提升的三大難題，從而極大提高了壓電式噴墨打印的墨滴速度?；谏鲜鰴C(jī)制，進(jìn)一步提出了一種基于數(shù)值仿真的波形設(shè)計方法和一種基于實(shí)驗(yàn)測試的波形反向設(shè)計方法（圖1），實(shí)現(xiàn)了面向不同墨水和不同結(jié)構(gòu)壓電打印頭的超高墨滴速度噴射驅(qū)動波形快速設(shè)計，最大墨滴速度達(dá)到了27.53m/s，為相同條件下經(jīng)典壓電噴墨打印方法的3-5倍。

圖1 面向不同墨水和不同結(jié)構(gòu)壓電打印頭的高墨滴速度噴射驅(qū)動波形快速設(shè)計

通過圖案打印測試對所提出的超高墨滴速度壓電式打印策略的打印能力進(jìn)行了評估（圖2）：（a）打印速度和打印距離幾乎同時提高了10倍（圖2a）；（b）非常有趣的是可打印墨水材料的兼容性也得到了擴(kuò)展(圖2b)，對于所使用的壓電打印頭，可打印墨水的Oh數(shù)和粘度分別從0.36–0.72擴(kuò)展到0.03–1.18和10–12cp擴(kuò)展到1–40.3cp，這甚至打破了經(jīng)典壓電噴墨打印技術(shù)可打印墨水Oh數(shù)為0.1-1和粘度為1-25cp的傳統(tǒng)限制；（c）具備曲面的變間距共形打印的能力（圖2c）。

圖2 超高墨滴速度壓電式打印策略的打印能力評估

未來展望

在超高墨滴速度壓電式噴墨打印策略下，不需要對打印頭結(jié)構(gòu)和墨水理化特性進(jìn)行修改，即可實(shí)現(xiàn)打印速度、打印距離、可打印墨水粘度等關(guān)鍵噴射性能的根本性提升，這將非常有利于其在工程實(shí)際中的應(yīng)用拓展，有望在高速打印、遠(yuǎn)距離打印、“直接到形狀/對象”打?。ü残未蛴。⒁约案哒扯炔牧洗蛴〉阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆性的應(yīng)用。

作者簡介

邵金友，西安交通大學(xué)科研院常務(wù)副院長、國家杰出青年基金獲得者，陜西微納制造與智能感知創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)科帶頭人，擔(dān)任國家第六次科技預(yù)測（2020-2035規(guī)劃）先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)＜摇⑹奈鍑抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃“高性能制造技術(shù)與重大裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)指南專家等。主要從事微納制造、電子皮膚與可穿戴電子、生物仿生與軟體機(jī)器人等方面的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計劃重大集成項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、裝備預(yù)研共用技術(shù)等重大項(xiàng)目；在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano等國際高水平期刊發(fā)表論文160余篇論文；授權(quán)國家發(fā)明專利60多項(xiàng)，美國專利2項(xiàng)；獲國家教學(xué)成果二等獎、教育部自然科學(xué)一等獎、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、陜西高?？茖W(xué)技術(shù)特等獎與一等獎等教學(xué)科研獎勵。