1、高速攝像機在EHD打印技術研究中的應用
電流體動力學（EHD）打印作為一種新興的3D打印技術，具有無需掩模、操控簡單、效率高、油墨兼容性好、材料利用率高等優勢，在生物組織、傳感器、光伏等領域具有很好的應用前景。利用該技術可實現對半導體材料油墨的精準分配和沉積，從而提升打印效率。
大連理工大學科研團隊為研究通過電流體動力學(EHD)打印在微熱板上涂覆氣敏材料過程中各參數對錐射流形成的影響，采用多物理場有限元仿真軟件分析了錐射流形成過程，利用高速攝像機拍攝錐射流形成過程，來驗證仿真分析的有效性。（詳情可見《用于微熱板氣體傳感器的EHD打印有限元仿真》）
2、實驗方法
科研團隊自主搭建了EHD噴墨打印系統，如圖1所示。該系統是由微量注射器、信號發生器、電壓放大器、照明燈、千眼狼高速攝像機、放置微熱板傳感器的位移平臺以及對各設備進行程控的PC端等部分組成。
實驗根據微熱板氣體傳感器EHD打印系統建立了簡化的二維有限元模型，仿真EHD打印中錐射流形成的過程，并利用高速相機記錄實驗過程，對兩者進行對比分析。
3、實驗分析
1/3.仿真結果模型的有效性
如圖3（a）所示，仿真得到的流體相函數Φ隨時間變化的過程，黑色對應于Φ=-1的純液相，無色對應于Φ=1的氣相。表面電荷變化過程如圖3(b)所示。觀察錐射流形成過程。針管內的液體在電場力的作用下逐漸被拉出形成錐形。由于表面電荷的聚集使得尖端電荷密度不斷增加，最終逐漸增大的電場力突破表面張力，形成射流。射流噴射到基板上，實現打印。
利用千眼狼高速攝像機拍攝實際EHD打印的過程如圖4所示。實際打印過程與仿真計算的打印過程吻合較好，說明該二維簡化模型適用于EHD打印過程的仿真，可用于分析不同參數對打印過程的影響。
2/3.針頭與襯底距離
固定電壓為1.5kV時，通過調節針頭與襯底之間的距離d將直接影響電場力，從而影響打印過程。當距離d從300μm到750μm變化時，截取形成有效錐射流時的相函數分布如圖5所示。
統計d與錐射流形成時間t的關系如圖6所示。當針頭與襯底的距離大于750μm時，雖然液體被拉出針頭，但其受到的電場力不足以突破表面張力，因此無法形成有效的錐射流。當距離小于600μm，錐射流在施加電壓后不到1ms內就已經迅速形成，即EHD打印過程是非常迅速的。隨著針頭與襯底之間距離減小，錐射流形成時間單調減小。因此，EHD打印中應使針頭與襯底距離小于750μm，使其能夠形成有效、穩定的錐射流。
3/3.針頭內徑
設置距離d為600μm，當針頭內部直徑從160μm到360μm變化時，截取仿真時間900μs時的結果如圖7所示，統計距離針頭300μm處的錐射流直徑隨針頭內徑變化如圖8所示。結果表明，在針頭內徑從160μm增大到300μm時，錐射流直徑從40μm增大到55μm，且兩者呈線性關系。小的針頭內徑形成的錐射流直徑更小，打印點也會相應更小，因此減小針頭內徑有利于提高打印精度。但是對于含有固體顆粒的氣敏墨水，為了避免針頭的堵塞，針頭內徑應比固體顆粒直徑大兩個數量級。因此在實際打印中應根據墨水內固體顆粒直徑選擇一個合適的針頭內徑。
3/3.針頭親水性
設置距離d為600μm，針頭內徑為260μm當墨水液面在針頭的接觸角同時從30°到120°變化時，截取仿真時間900μs時的結果如圖9所示，統計距離針頭300μm 處的錐射流直徑隨接觸角變化如圖10所示。當接觸角為30°時，針頭表面十分親水，因此針尖的液體直徑顯著大于針頭內徑，但形成的錐射流卻較細。隨著接觸角的增大，針頭表面從親水向疏水過渡，針尖的液體直徑逐漸減小至趨近于針頭內徑，但錐射流直徑卻逐漸增大。
為了進一步理解這一現象，對錐射流所受電場應力進行分析，如圖11所示。錐射流所受的電場應力的橫向分量幾乎不隨接觸角的變化而改變，而電場應力的縱向分量隨接觸角的增大逐漸減小。較大的y分量的電場應力會使錐射流在縱向被拉長變細，所以當電場應力的縱向分量減小時錐射流的直徑會逐漸增大。
根據仿真結果，錐射流直徑隨著接觸角的增大而增大。但是當接觸角過小、針頭親水性強時，墨水會大量沉積在針頭上，影響EHD打印穩定性。因此應選擇適中的接觸角以實現高精度打印。
4、實驗結果
利用仿真軟件模擬了EHD打印的錐射流的形成過程，仿真結果與千眼狼高速攝像機拍攝實際過程一致。仿真了針頭與襯底距離、針頭內徑、接觸角改變對錐射流形成過程的影響。結果表明隨著打印針頭與襯底之間的距離增加，錐射流形成時間增加。較小的針頭內徑和接觸角會獲得較小的錐射流直徑。實驗根據仿真結果優化EHD打印參數，在微熱板上打印花狀氣敏材料，不但保留了材料的微觀納米結構，而且形成了較為均勻的薄膜。
5、總結
EHD打印會受到打印針頭入口的壓力以及墨水的動力粘度、墨水的相對介電常數等參數的影響。高速攝像機可觀察打印參數對錐射流和液滴形成過程的影響，并驗證仿真實驗的有效性，對實際應用于微熱板氣敏墨水的EHD打印過程中的參數優化和調整提供指導意義。（此文源自大連理工大學研究團隊）
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