基于微滴喷射3D打印的纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射研究

微滴喷射3D打印工艺中,墨水以单一液滴形式稳定喷射是保证喷墨打印质量的必要条件。但在微滴喷射瞬间,纳米颗粒悬浮墨水的流变学性能会随着剪切速率发生明显变化,对实现墨滴稳定喷射具有重要影响。通过测量墨水黏度与剪切速率之间的关系,建立变黏度喷墨打印有限元模型,并对微滴喷墨打印过程中墨滴黏度、墨滴速度、墨滴形貌的变化规律及影响机理进行研究。得出毛细管力是导致墨滴失稳的重要因素,最后对墨滴稳定喷射进行了数值模拟和物理试验验证,证明毛细管数-奥内佐格倒数(Capillary-ohnesorge reciprocal,CA-Z)纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射评价方法的可行性。CA-Z纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射评价方法为微滴喷射3D打印墨水的制备及其打印参数的优化提供了理论和试验依据。     

压电驱动微滴喷射过程的数学模型

通过对压电驱动器的力一位移方程的简化，得到了压电驱动器的受力方程。从质量守恒和能量守恒的角度对腔体内部流体运动情况进行了分析，简化了分析过程。在此基础上，建立了微滴喷射过程的数学模型，得到的计算结果、喷射规律与试验结果基本一致。     

连续灰度微滴喷射控制系统的研制

针对灰度微滴喷射技术中传输数据量大和传输数据不匹配的问题,对灰度微滴喷射的技术特点进行了分析,对灰度微滴喷射技术的控制方法进行了归纳,提出了一种基于ARM+FPGA系统架构和双口RAM乒乓操作技术的灰度微滴喷射控制系统,采用Modelsim软件对FPGA内部模块进行了时序仿真,利用搭建的灰度微滴喷射实验平台对灰度色阶和边缘锯齿进行了测试。实验结果表明,该系统能够实现最大幅面为280 mm且具有8个灰度等级的微滴喷射,打印的图像边缘锐利清晰无明显锯齿。     

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。     

三维数字微滴喷射成形技术的发展现状

阐述了三维数字微滴喷射技术的概念、优势及其应用领域。从工艺和喷射技术2个方面分析了目前世界上在该技术领域的发展现状，指出其发展的2个方向：一是普遍推广的低成本设备；二是能够成形具有材料梯度零件的设备。     

压电式喷头的微滴喷射行为及其影响因素

设计并加工了一种压电式微滴喷头,并在微滴喷射平台上进行了微滴喷射实验,用CCD相机拍摄到了液滴形成的整个过程。通过激光位移测量平台测量了压电片的振荡曲线,并将位移曲线输入流体模拟求解器,用两相的方法模拟出了微滴形成的过程。模拟显示液滴的形成时间,大小,形状和速度与实验结果拟合得很好。通过对比液滴的形成过程与压电片的振荡曲线,发现主液滴在压电信号为高电平时,已经脱落了微滴喷嘴,基于此提出了通过改变高电平时间和增加压电片的自由振荡衰减阻值提高微滴喷射最高频率的方案。通过微滴喷射行为模拟,解释了微滴喷射实验中出现两条液滴的原因,并通过改变喷腔结构和改变液体黏度,找到了减少额外液滴出现的途径。     

电场驱动喷射高粘度导电材料的3D打印机理研究

为了实现高粘度导电材料在3D打印制造嵌入式封装电子产品中的高精度打印,本文通过理论分析与实验验证相结合的方法,揭示了喷嘴结构与电场对流体流速与液滴形态的影响,最终得出相同气压下,喷嘴尖端处越短,截面收缩越大,液体流速越快;电场除了对液滴有收缩形成泰勒锥的作用,还会影响液体流速;对于超高粘度导电材料的打印,对打印结果影响最大的因素是气压与平台移动速度,在一定气压与电压范围内,打印均能实现,而通过调整平台移动速度可改善喷印质量。研究成果对改善高粘度导电材料的3D打印形貌、成型精度和可控性提供了理论基础和方向指导。     

电磁致动式微滴按需喷射装置的设计及实现

针对现有商业化微滴按需喷射装置需根据喷射材料性质定制而较难直接用于研究不同材料喷射行为的现存问题,设计并实现了一种基于电磁致动器的机械振动式低成本微滴按需喷射装置。该装置由激振系统,喷射坩埚及相应的低氧环境保护系统,加热及温度控制调节系统组成。采用该微滴喷射装置进行试验,通过调整电磁致动器激励电压脉宽成功实现了不同喷射频率下水和石蜡微滴的按需可控喷射,试验结果证明了该装置的稳定性以及实现不同材料微滴喷射的可行性。     

微滴喷射中喷嘴间距对微滴轨迹影响的研究

以某款压电阵列式喷头为研究对象,喷射液体材料选用呋喃树脂,研究微滴喷射中喷嘴间距对微滴喷射轨迹的影响规律。采用守恒水平集方法建立了微滴喷射多喷嘴的仿真模型,通过实验和仿真相结合的方法分析了实验驱动电压和仿真入口压强的关系,通过拟合公式法得出二者拟合关系式。数值模拟结果表明,在该阵列式喷头的喷射过程中,相邻液滴有相互靠近的趋势。喷嘴间距和液滴实际喷射轨迹与理想喷射轨迹之间偏移的距离阈值存在一定的线性关系。当喷嘴间距小于距离阈值时,液滴实际喷射轨迹几乎不受影响;而当喷嘴间距大于距离阈值时,液滴实际喷射轨迹会偏离理想喷射轨迹。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料(Polymer matrix composites,PMC)成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性,尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题,提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验,揭示了主要工艺参数(碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等)对于打印件分辨率(精度)和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台,并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式,实现了多层石墨烯/聚乳酸(Polylactic acid,PLA)和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明,提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型(使用内径300μm喷嘴,实现了分辨率为40μm的PMC特征结构制造),而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

微流挤出成形工艺中新型挤出结构的研究

微流挤出成形工艺是基于陶瓷3D打印技术的兴起而出现的一种新兴制造工艺,其具有微米级高精度的特点,适用于高精度陶瓷制造领域.而在微流挤出成形工艺中,挤出结构设计是提高陶瓷零件成形性能的关键因素,将直接影响到成形能否顺利进行.在比较了几种目前国内外使用较为广泛的陶瓷3D打印挤出结构后,提出了一种以微型螺杆泵为核心部件的新型...