微滴噴射技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

羅志偉，趙小雙，羅瑩瑩，李志紅

(廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

液滴產(chǎn)生是自然界一種奇妙的物理現(xiàn)象，盡管人們早就在自然界中觀察到了液滴，但直到19世紀，科研工作者才開始對液滴的產(chǎn)生機理及應(yīng)用進行深入細致的研究［1］。在20世紀70年代，噴墨打印機［2］的發(fā)明使得計算機里的數(shù)據(jù)可被打印成文字以及工業(yè)上可在各種產(chǎn)品上打印條碼和生產(chǎn)日期等，這表明微滴產(chǎn)生技術(shù)走向了真正實際應(yīng)用。噴墨打印機是基于液滴噴射開發(fā)的一種非擊打式點陣印刷技術(shù)，常稱“噴墨”(inkjet)技術(shù)。盡管與激光打印機相比存在局限，但噴墨打印機作為精確、高效且可控微滴技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品商業(yè)化上獲得了巨大成功。隨著微滴產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，已經(jīng)從單純的噴墨打印拓展到生物醫(yī)藥、材料成型、微電子機械制造、微電子封裝、航空航天、基因工程、建筑行業(yè)等領(lǐng)域，進一步展示了微滴噴射技術(shù)的廣闊的應(yīng)用前景［3］。

1 微滴噴射技術(shù)分類與特點

微滴噴射技術(shù)源于噴墨打印技術(shù)，噴射液滴的體積一般為納升至微升量級，甚至可達到皮升量級。該技術(shù)分配液體的體積十分精準，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位精度高、節(jié)省原料等優(yōu)點。目前，微滴噴射技術(shù)主要有連續(xù)噴射式［4］和按需噴射式［5］2類。連續(xù)噴射式根據(jù)偏轉(zhuǎn)形式分為等距離偏轉(zhuǎn)式和不等距離偏轉(zhuǎn)式［6］;按需噴射式按其驅(qū)動方式不同分為壓電式［7-9］、熱泡式［10］、超聲聚焦式［11-12］、氣動式［13-15］、機械式［16］、氣動膜片式［17］、電磁式［18］等。微滴噴射技術(shù)的分類如圖1所示，由于二者的噴射原理不同，則其裝置結(jié)構(gòu)也有很大的區(qū)別。

圖1 微滴噴射技術(shù)分類

連續(xù)噴射(continuous-ink-jet，CIJ)通過在液體腔內(nèi)施加恒定壓力，迫使腔體內(nèi)流體從噴嘴以較高速度形成射流，在流體腔內(nèi)擾動或者在表面張力作用下射流斷裂成滴。連續(xù)微滴噴射方式能產(chǎn)生高速液滴，噴射速度高，微滴產(chǎn)生效率高，可應(yīng)用于多種水溶性材料，廣泛應(yīng)用于彩色打印，其工作速度比按需噴射模式快。但其較為明顯的缺點是:液滴直徑難以細化;成型分辨率低;微滴噴射模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需增加加壓裝置對待噴射溶液加壓;充電偏轉(zhuǎn)控制液滴方向，還需回收裝置對廢液滴進行收集，造成了微滴噴射的可控性差、成本高。圖2為典型的連續(xù)金屬液滴噴射原理示意圖。

按需噴射(drop on demand，DOD)是液體在外力作用下，打破噴口附近的平衡狀態(tài)，形成射流，同時控制射流斷裂成滴。圖3所示為典型壓電式按需噴射原理示意圖。

圖2 連續(xù)液滴噴射

圖3 典型壓電式的按需微滴噴射

按需微滴噴射能夠按要求噴射出所需要的液滴大小，作為噴射裝置的一個激勵信號。裝置在收到激勵信號后產(chǎn)生相應(yīng)的位移或壓力變化，使液體通過噴口噴出，形成所需的液滴。相比連續(xù)噴射，按需噴射無需液滴回收裝置和液滴偏轉(zhuǎn)裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，驅(qū)動壓力波形可調(diào)。但受微滴噴射頻率較低等因素影響，按需噴射式通常采用多噴嘴噴射的方法來提高微滴產(chǎn)生效率。

按需噴射因工作原理的差異，各種噴射方式各有優(yōu)缺點［19］，如表1所示。

表1 按需微滴噴射方式比較

2 國內(nèi)外微滴噴射技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研究者針對各種金屬材料開發(fā)了不同的微噴裝置，根據(jù)驅(qū)動方式大體可分為氣壓驅(qū)動式、應(yīng)力波驅(qū)動式、電磁力驅(qū)動式和激光熔融式［20］、激光式氣動噴射式、壓電驅(qū)動式等。肖淵等［21］成功開發(fā)了氣壓驅(qū)動錫鉛合金和鋁合金材料的噴射裝置，結(jié)合超聲給粉技術(shù)［22］用于非均質(zhì)金屬制件的噴射成形;王永先等［23］利用可控電磁力作為驅(qū)動源，實現(xiàn)了焊錫的按需噴射;李富全［24］等利用激光能量將焊絲融化借助氣壓作用將焊球從噴嘴中噴出，成功制出焊球;周詩貴［25］巧妙利用疊層式壓電陶瓷作為驅(qū)動部件，通過推桿推動驅(qū)動膜片變形實現(xiàn)液體按需噴射;CHENG等［26］和 CAO 等［27］以壓縮氣體作為驅(qū)動源，實現(xiàn)了鋁合金熔滴的按需噴射。Chun［28］和 Orme［29］等分別利用射流破碎技術(shù)將液態(tài)金屬射流破碎成金屬均勻液滴束流，收集到均勻的球狀金屬粉末。

從國內(nèi)外開發(fā)的各類噴射裝置來看，采用氣壓驅(qū)動方式的液態(tài)金屬微噴裝置可獲得最小直徑為85 μm的金屬液滴，穩(wěn)定頻率只有5 Hz;應(yīng)力波驅(qū)動方式可獲得比噴嘴直徑更小的液滴，研究人員獲得了直徑為63.8 μm的金屬液滴，但頻率也只有5 Hz;而采用激光熔融式及激光式氣動的微噴裝置，激光的上下位置和激光的功率以及焊絲的直徑都必須嚴格控制，否則會出現(xiàn)在聚焦點先融化而其他部分還來不及融化的情況，從而得不到理想液滴，并且頻率較低;周詩貴等研究的裝置噴射流量小，需要給壓電材料提供高壓，或采用放大機構(gòu)或增大噴射裝置的體積，同時該裝置對噴射的流體的性能要求高。王永先等研究的電磁力微噴裝置的噴射頻率僅為1～5 Hz，液滴直徑在2 mm左右，噴射裝置體積較大。總體而言，各種液態(tài)金屬微噴裝置噴射頻率較低、裝置較復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定較難控制，較難應(yīng)用到各工程領(lǐng)域中實現(xiàn)推廣。

3 微滴噴射技術(shù)的應(yīng)用

目前微噴技術(shù)主要應(yīng)用于噴射點膠、生物醫(yī)藥、材料成型、微電子機械制造、微電子封裝、航空航天、基因工程、建筑工程等領(lǐng)域。基于液體微噴技術(shù)的點膠技術(shù)經(jīng)歷了如圖4所示的發(fā)展歷程。點膠技術(shù)經(jīng)歷了由針管/接觸式方法向噴射/非接觸式方法的轉(zhuǎn)變。非接觸式噴膠擁有更多的優(yōu)勢。速度優(yōu)勢:無需Z軸移動，具有更快的噴射率;具有質(zhì)量優(yōu)勢:具有更小的膠點、更精確的點膠位置、更小的浸濕范圍、更好的線形;成本優(yōu)勢:降低了芯片成品維護成本;應(yīng)用范圍可達到針頭無法進入的區(qū)域，材料的流體黏度范圍更廣。

液態(tài)金屬微滴噴射技術(shù)是20世紀90年代開始研究的課題［30］。金屬微滴噴射技術(shù)可實現(xiàn)微量金屬材料(如銅［31］、鋁合金［32］、錫鉛合金［33］)的精確分配與定點沉積，在金屬復(fù)雜件成形、微機電系統(tǒng)(MEMS)三維封裝［34-36］、微電路快速打印［37］等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，如圖5、6所示。該技術(shù)具有自動化程度高、成本低、無污染、非接觸及原材料利用率高等優(yōu)點［38-39］。

圖4 微噴點膠技術(shù)發(fā)展史

圖5 液態(tài)金屬微滴噴射應(yīng)用

圖6 液體微噴技術(shù)在封裝、貼裝、微電子制造方面的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)界通過微噴技術(shù)精確定量細胞溶液的分配，可以實現(xiàn)人造骨骼［40］、人造肝臟、細胞重組［41］;可制造可降解聚合物人體支架［42］(如圖6所示)來進行醫(yī)學(xué)上各種疑難雜癥的治療。

材料成型行業(yè)通過微滴噴射技術(shù)來實現(xiàn)材料的無模具成型、制造復(fù)雜形狀的零部件以及微型器件，如通過3D打印技術(shù)可以打印出形狀復(fù)雜的工藝品［43］、大型飛機模型［44］、飛機主承力構(gòu)件(如圖7)，從而有效解決材料對加工工具和模具的依賴性和傳統(tǒng)的材料成型方式在加工復(fù)雜形狀以及微型零件部件時工藝周期長、成本高的問題。

圖7 微噴技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、材料成型方面應(yīng)用

4 課題組研究成果

課題組研究的電磁式按需微滴噴射模式的工作原理是利用通電的導(dǎo)電金屬液體在磁場中在洛倫茲力作用下從微米級的噴嘴中噴出。微滴噴射裝置采用單片機控制，從而實現(xiàn)金屬液滴的按需噴射。電磁微滴噴射裝置結(jié)構(gòu)簡單，噴射過程中無機械磨損、機械噪聲，噴射效率高，便于實現(xiàn)自動化控制。課題組主要研究了對水銀的噴射。水銀是在常溫、常壓下唯一以液態(tài)存在的金屬;25℃下，水銀的黏度為1.526×10-3Pa·s，容易蒸發(fā)。課題組通過大量的實驗表明，在恒定的電壓、電流、磁場、溫度下可有效得到:① 采用100 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為65～70 μm;② 采用150 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為108～110 μm;③ 采用250 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為270～280 μm。同時，能夠較為穩(wěn)定地打印出X，M，T字母及簡單的陣列圖形。裝置示意圖如圖8所示。

圖8 微噴裝置原理示意圖

5 結(jié)束語

微滴噴射技術(shù)無需用到激光器等高成本設(shè)備，故其成本相對較低。而且其結(jié)構(gòu)簡單，可以進一步結(jié)合微機械加工技術(shù)，使系統(tǒng)集成化、小型化。隨著微滴噴射技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子封裝、微電子機械制造、生物醫(yī)藥、航空航天、材料成型等領(lǐng)域，人們的生活方式將不斷發(fā)生改變。但由于微滴尺寸微小、沉積速度快，故實現(xiàn)對微滴形成的精度和噴射狀態(tài)的實時檢測與控制是實現(xiàn)微滴穩(wěn)定噴射需要解決的技術(shù)難題。而進一步提高微滴沉積精度、實現(xiàn)精確制備零件是微滴噴射技術(shù)成形微小件需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，能用于微滴噴射的材料主要是非金屬和少數(shù)低熔點金屬材料，而高熔點的金屬應(yīng)用甚少。因此，各大高校和企業(yè)應(yīng)加快微滴噴射裝置平臺的研發(fā)，實時動態(tài)監(jiān)測儀器的設(shè)計、噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、高熔點金屬材料噴射的研究以及加強微滴噴射技術(shù)理論的推廣和應(yīng)用。盡管目前微滴噴射技術(shù)在研究和推廣過程中存在一些問題，但可以預(yù)見，隨著研究的進一步深入，微滴噴射技術(shù)將有更廣泛的應(yīng)用前景。

［1］Eggers J.Theory of drop formation［J］.Physics of Fluids，1995，7(5):941-953.

［2］Vaught J L，Cloutier F L，Donald D K，et al.Thermal ink jet printer:U.S.Patent 4，490，728［P］.1984-12-25.

［3］Gao C.Progress in inkjet technique and its applications［J］.Journal of Inorganic Materials，2004，19(4):714-722.

［4］Rayleigh L.On The Instability Of Jets［J］.Proc London Math Soc，1878，10(1):4-13.

［5］Hon K K B，Li L，Hutchings L M.Direct writing technology—Advances and developments［J］.CIRP Annals—Manufacturing Technology，2008，57(2):601-620.

［6］黃菲，楊方，羅俊，等.均勻金屬液滴噴射微制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(1):38-43.

［7］Desai S L，Cordle J.Coupled field analysis of a piezoelectric bimorph disc in a direct write process［J］.Composites Part B:Engineering，2007，38(7/8):824-832.

［8］Wang W，Hong F，Qiu H.Prediction of solder bump formation in solder jet packaging process［J］.Components and Packaging Technologies，IEEE Transactions on，2006，29(3):486-493.

［9］Kwon K S，Kim W.A waveform design method for highspeed inkjet printing based on self-sensing measurement［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2007，140(1):75-83.

［10］Peeters E，Verdonckt-Vandebroek S.Thermal ink jet technology［J］.Circuits and Devices Magazine，IEEE，1997，13(4):19-23.

［11］Demirci U.Acoustic picoliter droplets for emerging applications in semiconductor industry and biotechnology［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2006，15(4):957-966.

［12］Huang D，Kim E S.Micromachined acoustic-wave liquid ejector［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2001，10(3):442-449.

［13］Cheng S，Chandra S.A pneumatic droplet-on-demand generator［J］.Experiments in Fluids，2003，34(6):755-762.

［14］Cheng S X，Li T，Chandra S.Producing molten metal droplets with a pneumatic droplet-on-demand generator［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，159(3):295-302.

［15］Goghari A A，Chandra S.Producing droplets smaller than the nozzle diameter by using a pneumatic drop-on-demand droplet generator［J］.Experiments in Fluids，2008，44(1):105-114.

［16］劉華勇.高薪度流體微量噴射與控制技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［17］舒霞云.氣動膜片式金屬微滴噴射理論與實驗研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［18］張興國.電磁鑄造技術(shù)的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2001.

［19］Lee E R.Mierodrop Generation［M］.New York:CRC Press，2003.

［20］劉繼常，李力鈞.激光熔覆成形金屬薄壁結(jié)構(gòu)的試驗研究［J］.機械工程學(xué)報，2004，40(10):185-188.

［21］肖淵，齊樂華，黃華，等.氣壓驅(qū)動金屬熔滴按需噴射裝置的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2010，30(7):780-784.

［22］Zeng Xianghui，Qi Lehua，Huang Hua，et al.Control system development and experimental study onultrasonic vibration feeding［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，24(6):1083-1088.

［23］王永先.電磁力驅(qū)動釬料微噴射原理與實驗研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［24］Li Fuquan，Wang Chunqing，Tian Yanhong.Laser Ink-Jet Solder Bump Fabrication for Electronic Interconnection［M］.China:ICEPT，2003:586-588.

［25］周詩貴.壓電驅(qū)動膜片式微滴噴射技術(shù)仿真分析與實驗研究［D］，上海:上海交通大學(xué)，2013.

［26］CHENG S X，LI Tiegang，CHANDRA S.Producing molten metal droplets with a pneumatic droplet-on-demand generator［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，159(3):295-302.

［27］CAO Wenbin，MIYAMOTO Y.Freeform fabrication of aluminum parts by direct deposition of molten aluminum［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，173(2):209-212.

［28］Chun J H，Passow C H.Production of Charged Uniformly Sized Metal Droplets:U.S.Patent.5，266，098［P］.1993-11-30.

［29］Orme M，Robert S.High-Speed Fabrication of Highly U-niform Micro-Metallic Spheres:U.S.Patent.6，562，099［P］.2003-04-03.

［30］Orme M.A novel technique of rapid solidification netform materials synthesis［J］.J Mater Eng Perf，1993，2(3):399.

［31］PARK B K，KIM D，JEONG S，et al.Direct writing of copper conductive patterns by ink-jet printing［J］.Thin Solid Films，2007，515(19):7706-7711.

［32］TURM R，GRUM J，BOZIE S.Influence of the alloying elements in Al-Si alloys on the laser remelting process［J］.Lasers in Engineering，2011，22(2):47-61.

［33］YOKOYAMA Y，ENDO K，IWASAKI T，et al.Variable-size solder droplets by a molten-solder ejection method［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2009，18(2):316-321.

［34］SUN J，F(xiàn)UH J Y H，THIAN E S，et al.Fabrication of electronic devices with multi-material drop-on-demand dispensing system［J］.International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2013，26(10):897-906.

［35］GLYNNE-JONES P，COLETTI M，WHITE N M，et al.A feasibility study on using inkjet technology，micropumps，and MEMs as fuel injectors for bipropellant rocket engines［J］.Acta Astronautica，2010，67(2):194-203.

［36］KIM B，KIM S，LEE J，et al.Dynamic characteristics of a piezoelectric driven inkjet printed fabricated using MEMS technology［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2012，173(1):244-253.

［37］VAEZI M，CHUA C.Effects of layer thickness and binder saturation level parameters on 3D printing process［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，53(1):275-284.

［38］LI L，SAEDAN M，F(xiàn)ENG W，et al.Development of a multi-nozzle drop-on-demand system for multi-material dispensing［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(9):4444-4448.

［39］黃華，齊樂華，曾祥輝，等.超聲振動微量給粉機理及振幅對給粉速率的影響［J］.機械工程學(xué)報，2009，45(1):267-272.

［40］Gbureck U，H?lzel T，Doillon C J，et al.Direct printing of bioceramic implants with spatially localized angiogenic factors［J］.Advanced Materials，2007，19:795-800.

［41］劉海霞，顏永年.組織器官的修復(fù)與重建［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2005，5(1):36-43.

［42］Kim S S，Utsunomiya H，Koski J A，et al.Survival and Function of Hepatocytes on a Novel Three-Dimensional Synthetic，Biodegradable Polymer Scaffold With an Intrinsic Network of Channels［J］.Annals of surgery，1998，228(1):8-13.

［43］Alexander G.Information Technology at NYU［EB/OL］.［2006-10-12］.www.nyu.edu/its/ams/:Fall/Winter 2006 Connect.

［44］Gans B J D，Duineveld P C，Schubert U S.Inkjet printing of polymers:state of the art and future developments［J］.Advance Materials，2004，16(3):203-213.