一种全新的超高墨滴速度压电式喷墨打印策略—西安交通大学邵金友教授/田洪淼教授团队新进展

西安交通大学邵金友教授/田洪淼教授团队提出了一种全新的超高墨滴速度压电式喷墨打印策略，实现打印速度、打印距离、可打印墨水粘度等关键喷射性能的根本性提升，突破了当前压电式喷墨打印技术能力的边界，有望在高速打印、远距离打印、“直接到形状/对象”打印（共形打印）以及高粘度材料打印等领域实现颠覆性的应用。相关成果以“Piezoelectric Drop-on-Demand Inkjet Printing with Ultra-High Droplet Velocity”为题目发表在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

当前压电式喷墨打印技术面临的主要瓶颈问题之一是如何提高打印速度和打印距离。提高打印速度意味着提高生产力和降低成本，这无疑是永恒的追求。提高打印距离则意味着可以面向非规则表面直接进行打印（即“直接到形状/对象”打印）,这将扩展压电式喷墨的打印能力，满足“共形电子”、“结构电子”等新兴领域非平面器件的打印需求。尽可能提高墨滴速度被认为是提高打印速度和打印距离的关键。然而，提高墨滴速度需要同时解决三个棘手且自相矛盾的难题，即：（1）提高压电打印头的驱动力从而提高初始墨滴速度；（2）消除高驱动力高初始墨滴速度下必然出现的卫星液滴;（3）减弱高驱动力高初始墨滴速度下必然增大的空气阻力。按照经典的压电式喷墨打印理论与方法，这几乎是不可能实现的。因此，经典压电式喷墨打印的墨滴速度一般只有5-8m/s（距离喷嘴1mm处），相应的高质量打印的打印速度与打印距离一般被限制在数十至数百mm/s（通常最大值，500mm/s）和0.5~2mm（通常为1mm）的范围内。

研究进展

西安交通大学邵金友教授/田洪淼教授团队发现了在高频压电式喷墨打印过程中的自调整机制，通过对压电打印头内部/外部的积极串扰效应的调制，实现了压电打印头驱动压力的自增强、卫星墨滴的自消除、空气阻力的自减弱，有效解决了限制墨滴速度提升的三大难题，从而极大提高了压电式喷墨打印的墨滴速度。基于上述机制，进一步提出了一种基于数值仿真的波形设计方法和一种基于实验测试的波形反向设计方法（图1），实现了面向不同墨水和不同结构压电打印头的超高墨滴速度喷射驱动波形快速设计，最大墨滴速度达到了27.53m/s，为相同条件下经典压电喷墨打印方法的3-5倍。

图1 面向不同墨水和不同结构压电打印头的高墨滴速度喷射驱动波形快速设计

通过图案打印测试对所提出的超高墨滴速度压电式打印策略的打印能力进行了评估（图2）：（a）打印速度和打印距离几乎同时提高了10倍（图2a）；（b）非常有趣的是可打印墨水材料的兼容性也得到了扩展(图2b)，对于所使用的压电打印头，可打印墨水的Oh数和粘度分别从0.36–0.72扩展到0.03–1.18和10–12cp扩展到1–40.3cp，这甚至打破了经典压电喷墨打印技术可打印墨水Oh数为0.1-1和粘度为1-25cp的传统限制；（c）具备曲面的变间距共形打印的能力（图2c）。

图2 超高墨滴速度压电式打印策略的打印能力评估

未来展望

在超高墨滴速度压电式喷墨打印策略下，不需要对打印头结构和墨水理化特性进行修改，即可实现打印速度、打印距离、可打印墨水粘度等关键喷射性能的根本性提升，这将非常有利于其在工程实际中的应用拓展，有望在高速打印、远距离打印、“直接到形状/对象”打印（共形打印）、以及高粘度材料打印等领域实现颠覆性的应用。

作者简介

邵金友，西安交通大学科研院常务副院长、国家杰出青年基金获得者，陕西微纳制造与智能感知创新团队学科带头人，担任国家第六次科技预测（2020-2035规划）先进制造领域专家、十四五国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项指南专家等。主要从事微纳制造、电子皮肤与可穿戴电子、生物仿生与软体机器人等方面的研究工作。主持国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划重大集成项目、国家重点研发专项、装备预研共用技术等重大项目；在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano等国际高水平期刊发表论文160余篇论文；授权国家发明专利60多项，美国专利2项；获国家教学成果二等奖、教育部自然科学一等奖、教育部技术发明一等奖、陕西高校科学技术特等奖与一等奖等教学科研奖励。