气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的仿真分析与实验研究

第15卷第11期精密成形工程

2023年11月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING187

气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的

仿真分析与实验研究

朱涛a，张远明b*，宋时雨b，王子文a，侯宗香

（临沂大学 a.自动化与电气工程学院 b.机械与车辆工程学院，山东临沂 276000；苏丹依德里斯教育大学计算机技术学院，马来西亚霹雳州丹戎马琳市 35900）

摘要：目的探究气溶胶微喷射曲面共形打印过程中的影响因素，并研究这些因素对打印线条最小特征线宽及形貌的影响规律。方法针对微喷射曲面共形打印的影响因素，构建基于数值模拟及实验验证的研究模式。

基于计算流体力学的数值模拟，对微喷射曲面共形打印过程中喷印头内气溶胶流束喷射的运动过程进行仿真分析。采用控制变量法研究气体流量、工作距离以及喷嘴大小对打印过程及打印线条的影响规律，并在此基础上设计单因素实验加以验证。结果实验结果表明，最小特征线宽随鞘气流量的增大而逐渐减小，随载气流量、工作距离以及喷嘴直径的增大而逐渐增大。当载气流量为100 mL/min、鞘气流量为400 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm时，打印线条的最小特征线宽可达43 μm，且未出现明显卫星液滴、沉积空洞及颗粒过喷等缺陷。结论载气流量、鞘气流量、工作距离与喷嘴直径等因素显著影响了微喷射曲面共形打印柔性电路的最小特征线宽及微观形貌。实验结果与仿真数据具有相同的变化规律，验证了微喷射曲面共形打印仿真的可行性，为微喷射曲面共形打印的研究奠定了基础。

关键词：气溶胶微喷射；曲面共形打印；计算流体力学（CFD）；仿真分析；实验验证

DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.022

中图分类号：TH161；TH165 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)11-0187-12

Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors

of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing

ZHU Taoa, ZHANG Yuan-ming b*, SONG Shi-yu b, WANG Zi-wen a, 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)

ABSTRACT: The work aims to explore the affecting factors in the aerosol micro-jet conformal printing process of curved sur-faces, 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 simu-

收稿日期：2023-06-26

Received：2023-06-26

基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME109）；山东省创新能力提升工程（2022TSGC1340）

Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME109); Shandong Province Innovation Capacity Im-provement Project Funding Project(2022TSGC1340)

引文格式：朱涛, 张远明, 宋时雨, 等. 气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的仿真分析与实验研究[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

188精密成形工程 2023年11月

lation 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 sim-ulated. 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 mini-mum 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 charac-teristic line width of the printed lines could reach 43 μm, and no obvious satellite droplets, cavity deposition and particle over-spray defects were observed. Factors such as carrier gas flow, sheath gas flow, working distance and nozzle diameter signifi-cantly 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 aer-osol micro-jet conformal printing of curved surfaces.

KEY WORDS: aerosol micro-jet; curved surface conformal printing; computational fluid dynamics; simulation analysis; ex-perimental verification

气溶胶微喷射打印（Aerosol Micro-jet Printing，AMJP）技术是一种利用惰性气体将液态材料雾化并打印成精细颗粒的技术，常被应用于微型器件制造、生物医学、纳米材料等领域[1-2]。该技术利用气流控制颗粒的运动轨迹，在所需打印的位置上自动喷射颗粒，并使其凝固成形，具有高分辨率、低成本、不接触等优点[3-6]。一方面，AMJP技术具有不接触、兼容大多数材料等特点，可在非平面结构表面实现微电子图案的直接共形打印。另一方面，基于AMJP技术的曲面共形打印可以将传统的平面加工向三维空间扩展，实现非平面基底的快速制造，提高制造的灵活性和可靠性，节约大量的制造成本和时间。因此，该技术被广泛应用于柔性电子、生物医学、可穿戴设备等领域[7-12]。

尽管AMJP技术在许多领域具有独特的优势，但当前该工艺仍存在着一些挑战和限制。在打印过程中，AMJP技术的精度和可靠性受到气溶胶多相流的流量、压力、喷嘴直径和喷射距离等多种因素的影响。因此，在不同的打印任务中，需要针对具体任务进行优化。目前，国内外针对用AMJP技术在平面基底下打印微导电图案的成形精度进行了广泛研究[13-15]。为提高对流场行为的理解，进一步改进和优化AMJP技术，还对AMJP技术在二维基底打印工作过程中涉及的气溶胶传输、沉积过程以及液滴状态进行了相关流体动力学研究。Salary等[16]建立了一个基于物理的计算平台，用于预测气溶胶流动状态并最终实现了AMJP过程的物理驱动控制，对打印喷头以及气动雾化器内部气流进行了有限元仿真分析，并针对气体流量这一因素进行了相关实验验证，为实施物理驱动的AMJP原位监测和控制奠定了基础。Chen等[17]开发了一个完整的气溶胶载气流（CGF）的三维CFD模过度喷涂的基本流体力学原理，模拟分析了油墨流中各种尺寸的单分散液滴轨迹，以揭示液滴尺寸和气流速率之间复杂的相互作用产生的过喷现象。此外，在平面基底下进行制造柔性电子器件，可能存在曲面基底与复杂曲面不兼容的问题，因此，利用AMJP技术在复杂曲面上直接共行打印可以高效解决此问题并节约制造成本与时间。AMJP的材料选择范围相对较窄，只能处理特定类型的可溶或可分散物质，而无法直接喷印未经处理的原材料。在曲面上打印时，AMJP 容易面临气溶胶因表面变化而聚集或分散，从而导致打印质量不稳定的问题。针对上述问题，Chen等[18]提出基于AMJP在纸基底上打印导电银纳米材料的方法及其关键工艺控制，结果表明，所打印结构的片电阻测量值为1.13×10−2Ω/m2，相当于大于106 S/m 的导电率，接近块体银（6.30× 107 S/m）的导电率。Blumenthal等[19]探究了AMJP对不同基板（如玻璃、聚合物、纸等）的适应性，他们使用气溶胶喷印与三轴联动控制在复杂曲面上对天线和传感器进行了共形打印，并证明AMJP可以在1~11 mm的间距范围内均匀地在曲面基底上沉积。Paulsen等[20]提出了基于AMJP在3D结构上打印共形电子的方法，并研究了共形相控阵天线、嵌入式电路和传感器以及电子封装的制造工艺。此外，还有学者尝试将AMJP与其他先进制造技术相结合，以实现更高精度、更复杂的曲面打印。Chen等[21]提出将AMJP与闪光烧结相结合，在非平面3D曲面上打印纳米导线并立即烧结，快速且高效地打印了共形电路。Langford等[22]使用AMJP 将天线、微带线和匹配电路结构作为单个元件印刷在3D曲面上，并将其组合成射频系统，得出由AMJP 制造的537 Ω电阻能够处理高达15 W的连续功率而不会出现故障的结论。上述学者利用AMJP技术实现