供稿人:梁拓、高琳 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-01-11
目前的微納尺度聚二甲基硅氧烷(PDMS)器件的制造方法要么需要高環(huán)境條件，要么需要高成本的復(fù)雜程序。電動(dòng)噴墨打印(EHD)是一種有效制備微尺度PDMS器件的潛在方法，因?yàn)镋HD打印具有環(huán)境友好、低成本、兼容各種油墨，最重要的是高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。然而，對(duì)基于PDMS的油墨的EHD印刷的研究卻很少。
近日，愛荷華州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)PDMS的EHD打印進(jìn)行了研究。研究了幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)印刷工藝的影響，電壓參數(shù)對(duì)打印圖案的尺寸和打印頻率進(jìn)行了有效的控制。打印原理如圖1所示。
圖1 PDMS電動(dòng)噴墨打印原理
為了研究電壓對(duì)液滴直徑和打印頻率的影響，確定了其他參數(shù)：偏移距離為30μm，噴嘴直徑為25μm，占空比為 25%，印刷速度為20mm/s。打印液滴的結(jié)果和液滴直徑與打印頻率相對(duì)于電壓的關(guān)系如圖2所示。從圖中觀察到液滴尺寸隨脈沖電壓的增加而減小。然而，液滴的分布變得更加密集。隨著電壓的增加，液滴的直徑減小，但打印頻率增加。在不同的電壓下，形成液滴的脈沖周期的數(shù)目是不同的。在較高的電壓下，較少的脈沖周期可以產(chǎn)生液滴。因此，打印頻率增加，液滴的尺寸減小，因?yàn)殡姾煞e累的時(shí)間較短。
圖2 液滴的直徑和打印頻率相對(duì)于脈沖電壓的關(guān)系（上）；以不同的脈沖電壓打?。ㄏ拢?/blockquote>
圖3 液滴直徑和打印頻率相對(duì)于電壓頻率的關(guān)系（左）；以不同的電壓頻率打?。ㄓ遥?/blockquote>
圖4 打印圖案：中國(guó)結(jié)（左）；字母（右）
為了研究頻率對(duì)印刷行為的影響，另一個(gè)變量被固定：偏移距離為30μm，噴嘴直徑為25μm，占空比為25%，印刷速度為15mm/s。圖3給出了液滴的直徑和相對(duì)于電壓頻率的打印頻率，以及在不同電壓頻率下的打印的液滴。從圖3（右）發(fā)現(xiàn)液滴的尺寸將隨著頻率的增加而減小。兩個(gè)緊密液滴之間的距離減小。當(dāng)頻率很高時(shí)，打印頻率不穩(wěn)定，并且靠近主墨滴的地方有許多小的墨滴。從圖3（左）可以看出，隨著電壓頻率的增加，墨滴直徑減小，打印頻率增加。圖4展示了打印的圖案。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)PDMS的EHD打印工藝進(jìn)行了研究，并對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)印刷工藝的影響進(jìn)行了研究以獲得最佳的印刷質(zhì)量。在未來(lái)的工作中，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開發(fā)一個(gè)模擬工具來(lái)預(yù)測(cè)PDMS的印刷質(zhì)量，并優(yōu)化印刷工藝，以制備微尺度的三維PDMS結(jié)構(gòu)。