氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實驗研究

朱濤，張遠明，宋時雨，王子文，侯宗香

氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實驗研究

朱濤a，張遠明b*，宋時雨b，王子文a，侯宗香

（臨沂大學 a.自動化與電氣工程學院 b.機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000；蘇丹依德里斯教育大學計算機技術學院，馬來西亞 霹靂州 丹戎馬琳市 35900）

探究氣溶膠微噴射曲面共形打印過程中的影響因素，并研究這些因素對打印線條最小特征線寬及形貌的影響規律。針對微噴射曲面共形打印的影響因素，構建基于數值模擬及實驗驗證的研究模式。基于計算流體力學的數值模擬，對微噴射曲面共形打印過程中噴印頭內氣溶膠流束噴射的運動過程進行仿真分析。采用控制變量法研究氣體流量、工作距離以及噴嘴大小對打印過程及打印線條的影響規律，并在此基礎上設計單因素實驗加以驗證。實驗結果表明，最小特征線寬隨鞘氣流量的增大而逐漸減小，隨載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑的增大而逐漸增大。當載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm時，打印線條的最小特征線寬可達43 μm，且未出現明顯衛星液滴、沉積空洞及顆粒過噴等缺陷。載氣流量、鞘氣流量、工作距離與噴嘴直徑等因素顯著影響了微噴射曲面共形打印柔性電路的最小特征線寬及微觀形貌。實驗結果與仿真數據具有相同的變化規律，驗證了微噴射曲面共形打印仿真的可行性，為微噴射曲面共形打印的研究奠定了基礎。

氣溶膠微噴射；曲面共形打??；計算流體力學（CFD）；仿真分析；實驗驗證

氣溶膠微噴射打?。ˋerosol Micro-jet Printing，AMJP）技術是一種利用惰性氣體將液態材料霧化并打印成精細顆粒的技術，常被應用于微型器件制造、生物醫學、納米材料等領域[1-2]。該技術利用氣流控制顆粒的運動軌跡，在所需打印的位置上自動噴射顆粒，并使其凝固成形，具有高分辨率、低成本、不接觸等優點[3-6]。一方面，AMJP技術具有不接觸、兼容大多數材料等特點，可在非平面結構表面實現微電子圖案的直接共形打印。另一方面，基于AMJP技術的曲面共形打印可以將傳統的平面加工向三維空間擴展，實現非平面基底的快速制造，提高制造的靈活性和可靠性，節約大量的制造成本和時間。因此，該技術被廣泛應用于柔性電子、生物醫學、可穿戴設備等領域[7-12]。

盡管AMJP技術在許多領域具有獨特的優勢，但當前該工藝仍存在著一些挑戰和限制。在打印過程中，AMJP技術的精度和可靠性受到氣溶膠多相流的流量、壓力、噴嘴直徑和噴射距離等多種因素的影響。因此，在不同的打印任務中，需要針對具體任務進行優化。目前，國內外針對用AMJP技術在平面基底下打印微導電圖案的成形精度進行了廣泛研究[13-15]。為提高對流場行為的理解，進一步改進和優化AMJP技術，還對AMJP技術在二維基底打印工作過程中涉及的氣溶膠傳輸、沉積過程以及液滴狀態進行了相關流體動力學研究。Salary等[16]建立了一個基于物理的計算平臺，用于預測氣溶膠流動狀態并最終實現了AMJP過程的物理驅動控制，對打印噴頭以及氣動霧化器內部氣流進行了有限元仿真分析，并針對氣體流量這一因素進行了相關實驗驗證，為實施物理驅動的AMJP原位監測和控制奠定了基礎。Chen等[17]開發了一個完整的氣溶膠載氣流（CGF）的三維CFD模型，并使用該模型精確分析了標準AMJP過程中控制過度噴涂的基本流體力學原理，模擬分析了油墨流中各種尺寸的單分散液滴軌跡，以揭示液滴尺寸和氣流速率之間復雜的相互作用產生的過噴現象。此外，在平面基底下進行制造柔性電子器件，可能存在曲面基底與復雜曲面不兼容的問題，因此，利用AMJP技術在復雜曲面上直接共行打印可以高效解決此問題并節約制造成本與時間。AMJP的材料選擇范圍相對較窄，只能處理特定類型的可溶或可分散物質，而無法直接噴印未經處理的原材料。在曲面上打印時，AMJP容易面臨氣溶膠因表面變化而聚集或分散，從而導致打印質量不穩定的問題。針對上述問題，Chen等[18]提出基于AMJP在紙基底上打印導電銀納米材料的方法及其關鍵工藝控制，結果表明，所打印結構的片電阻測量值為1.13×10?2Ω/m2，相當于大于106S/m的導電率，接近塊體銀（6.30× 107S/m）的導電率。Blumenthal等[19]探究了AMJP對不同基板（如玻璃、聚合物、紙等）的適應性，他們使用氣溶膠噴印與三軸聯動控制在復雜曲面上對天線和傳感器進行了共形打印，并證明AMJP可以在1～11 mm的間距范圍內均勻地在曲面基底上沉積。Paulsen等[20]提出了基于AMJP在3D結構上打印共形電子的方法，并研究了共形相控陣天線、嵌入式電路和傳感器以及電子封裝的制造工藝。此外，還有學者嘗試將AMJP與其他先進制造技術相結合，以實現更高精度、更復雜的曲面打印。Chen等[21]提出將AMJP與閃光燒結相結合，在非平面3D曲面上打印納米導線并立即燒結，快速且高效地打印了共形電路。Langford等[22]使用AMJP將天線、微帶線和匹配電路結構作為單個元件印刷在3D曲面上，并將其組合成射頻系統，得出由AMJP制造的537 Ω電阻能夠處理高達15 W的連續功率而不會出現故障的結論。上述學者利用AMJP技術實現了非平面基底下的導線打印，但并未對AMJP工作過程進行相關的研究分析，且打印的導線線寬在毫米級，未進行相關的打印工藝優化。

目前針對AMJP主要的研究方向是改進打印設備并優化打印流程，以提高打印效率和質量。本文采用數值模擬方法預測氣溶膠顆粒的物理行為以及打印過程中多相流的狀態變化，通過仿真分析鞘氣流量、載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑對打印過程的影響，并采用仿真總結得出的不同工藝參數進行相關實驗驗證?；诜抡娣治龊蛯嶒烌炞C研究，實現AMJP曲面共形打印的流場分析和打印參數優化的目標，以期為微噴射曲面共形打印實驗與應用研究提供數據參考。

1 實驗

1.1 方法

采用ZK-DryCure-Ag納米銀顆粒導電油墨（山東中科智能設備有限公司），粒子直徑<50 nm，墨水黏度為0.004～0.01 Pa·s，納米銀顆粒固含量（質量分數）為10%，鞘氣和載氣均為干燥的高壓氮氣。打印基底采用山東中科智能設備有限公司生產的半球模型基底，半徑為50 mm。

采用自主研發的氣溶膠微噴射曲面共形打印裝置，如圖1所示，在半球基底上共形打印導電線路，研究不同載氣流量（s）、鞘氣流量（c）、工作距離（）、噴嘴直徑（）對微噴射曲面共形打印的影響。在保持載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm的情況下，改變鞘氣流量，研究鞘氣流量對曲面共形打印的影響。同理，通過控制變量法研究載氣流量、工作距離、噴嘴直徑對曲面共形打印的影響，微噴射曲面共形打印的實驗因素如表1所示。選擇DZF-6020BZ真空干燥箱（上海儀昕科學儀器有限公司）在150 ℃下加熱30 min對打印導電線路燒結固化，使用CMY-290三目金相顯微鏡（上光儀器有限公司）觀察分析導電線條的微觀形貌。

圖1 微噴射曲面共形打印裝置

表1 微噴射曲面共形打印單因素實驗設計

1.2 數值模擬

1.2.1 模型假設及控制方程

噴嘴內的氣溶膠流動是一個復雜的多相流動過程，涉及顆粒的輸運、碰撞和沉積等復雜的運動和反應過程。噴嘴內部的多相流仿真分析有利于在實際中提高氣溶膠微噴射打印過程中的噴射精度，并且可對噴嘴內部多相流的運動行為進行可視化分析，揭示氣溶膠多相流噴射過程的變化規律，快速評估工藝參數對柔性電路成形的影響，為實驗設計和工藝優化提供參考。在氣溶膠微噴射曲面共行打印過程中，多相流的本質是固體納米銀顆粒懸浮在液態的溶劑中形成由載氣運輸的霧化液滴，氣溶膠流束在氣噴印頭內，受到多種因素影響，為便于理論模型的計算，做出如下假設：1）在微噴射曲面共形打印過程中，氣溶膠與鞘氣不壓縮；2）在氣溶膠流束中，納米銀顆粒與氮氣的體積比遠小于10%，采用離散相模型計算，假設離散相顆粒與連續相顆粒的速度相同，并且顆粒均為非旋轉的均勻圓球形；3）所提出的CFD模型不考慮油墨與基底的相互作用；4）本次實驗計算所需氣噴印頭內部雷諾數<2 300，鞘氣與氣溶膠流束處于層流狀態[23]。

在CFD模擬過程中，采用基于密度的Navier-Stokes方程求解微噴射打印噴頭內的多相流問題。密度場、速度場、溫度場分別由連續性微分方程、動量守恒方程、能量守恒方程給出，氮氣的質量密度和動態黏度則分別使用理想氣體狀態方程和Sutherland公式模擬計算得出，描述氣體剪切黏度的Sutherland公式如式（1）所示[24-25]。

式中：為氣體黏度；0為參考溫度，通常為273.15 K；0為參考溫度0下的氣體黏性系數；S為氣體的Sutherland常數，表示氣體分子間碰撞影響的強度。剪切流中氣溶膠微滴的運動由牛頓第二定律確定，如式（2）所示。

式中：d為流體的動力黏度；為顆粒的直徑；為阻力系數。作用在氣溶膠微滴上的薩夫曼升力如式（6）所示，式（6）描述了在載氣中運動的霧化液滴所經歷的升力。

1.2.2 微噴射共形打印噴頭CFD建模

本文根據微噴射共形打印噴頭裝置（見圖2a），使用AutoCAD建立了CFD模型（見圖2b），創建了由載氣進氣口、鞘氣進氣口、噴印倉、毛細噴嘴和獨立固定曲面基底所組成的流體域的二維模型，并定義了以下5種邊界：載氣速度入口（Inlet-M）、鞘氣速度入口（Inlet-L、Inlet-R）、固定壁（Wall）、壓力出口（Outlet）、曲面基底固定壁（Wall-S）。

1.3 數據分析與表征處理

在打印過程中，打印油墨經霧化成液滴后，通過氣管輸送到微噴印倉內，并由鞘氣包裹，以達到自清潔、壓縮射流的作用。霧化液滴穿過噴嘴到達毛細噴嘴出口處，并沉積到曲面基底上。本文的重點是對微噴射曲面共形打印過程中的影響因素進行研究，以微噴射打印噴嘴內部氣溶膠流束為主要研究對象，采用仿真分析與實驗驗證的方法進行研究。在仿真分析的數據處理時，氣體流量的特征點主要在鞘氣與載氣聚焦處以及噴嘴出口處，因此在仿真結果的處理中需要重點關注這2個位置。工作距離的改變主要體現在噴嘴出口與曲面基底之間顆粒軌跡的變化，因此仿真研究應重點關注出口與基底間的顆粒軌跡。噴嘴直徑的改變會影響氣溶膠流束進入毛細噴嘴的流量以及噴嘴口噴射出的流量，因此，對噴嘴直徑的仿真研究應重點關注毛細噴嘴的入口處以及微噴射打印噴嘴的出口處。

本文選取仿真所得噴嘴口處氣溶膠流束的直徑為模擬最小特征線寬（SLW），如圖3a所示。采用Binder等[26]提出的評價標準B確定最小特征線寬，將超過顆粒最大堆積密度50%的顆粒區域視為實際最小特征線寬（ALW）判定標準，并忽略邊緣衛星液滴對最小特征線寬測量的影響。

圖2 微噴射共形打印噴頭與CFD模型

圖3 SLW（a）與ALW（b）判定標準

2 結果與分析

2.1 氣體流量

在微噴射共形打印中，氣體流量是一個重要的工藝參數，它直接影響到噴射打印過程中的顆粒軌跡，從而影響了打印質量。當氣體流量較小時，氣溶膠顆粒噴出后會受周圍氣流的干擾，造成顆粒不均勻分散、漂移速度慢，甚至方向偏差等問題；反之，當氣體流量過大時，則可能會造成顆粒過度分散，進而影響其沉積位置，造成偏移。因此，合理選擇氣體流量可以改善氣溶膠顆粒的分散度和漂移速度，從而提高微噴射打印的成功率和準確率。為了方便分析，本文定義聚焦比R為鞘氣流量與載氣流量的比值。

保持載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm不變，改變鞘氣流量s分別為50、100、200、300、400、500、600 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5、6，進行仿真分析，仿真結果如圖4所示?？芍?，隨著鞘氣流量的增大，氣噴印腔內鞘氣的壓縮逐漸增強，氣溶膠射流逐漸變細。當鞘氣流量為50 mL/min時，由于鞘氣流量過小，導致在氣噴印倉氣流匯聚處鞘氣的壓縮效果不明顯，霧化液滴有小部分會隨著載氣流入鞘氣進氣口內，同時鞘氣并未起到明顯的聚焦、準直作用，噴嘴口處噴出的氣溶膠流束直徑過寬（見圖4a）。隨著鞘氣流量的逐漸增大，鞘氣的聚焦作用逐漸增大，氣溶膠流束的直徑逐漸減小。當鞘氣流量增大到600 mL/min時，由于鞘氣流量過大，載氣所運輸的霧化液滴無法輸送到噴嘴腔內，導致氣溶膠射流無法噴出，曲面基底上出現無射流沉積現象，如圖5所示。

圖4 不同鞘氣流量下的噴印頭內部仿真圖

保持鞘氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm不變，改變載氣流量c分別為200、100、50、33.3、25、20 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，進行仿真分析，仿真結果如圖6所示?？芍?，在保持鞘氣流量不變的情況下，隨著載氣流量的逐漸減小，氣溶膠流束的直徑逐漸減小。這主要與以下2個方面有關：隨著載氣流量的逐步減小，氣噴印倉內鞘氣起到的聚焦準直作用逐漸增強，對氣溶膠流束的壓縮作用逐步增強，該現象的形成與鞘氣流量增大的原理相似；由于載氣流量逐漸減小，載氣所運輸的霧化液滴的質量呈遞減趨勢，氣溶膠流束中霧化液滴的質量分數減小，相應氣溶膠流束的直徑減小。

選取載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm，改變鞘氣流量s分別為50、100、200、300、400、500 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，通過仿真實驗進行實驗驗證，得到不同鞘氣流量對最小特征線寬的影響。選取鞘氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm，改變載氣流量c分別為200、100、50、33.3、25、20 mL/min，同樣使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，進行實驗驗證，得到不同載氣流量對最小特征線寬的影響。仿真數據與實驗結果如圖7所示。由圖7a可知，當載氣流量為100 mL/min時，隨著鞘氣流量的增大，氣體流量聚焦比逐漸增大，SLW與ALW隨聚焦比的增大都呈減小的趨勢，并且最小特征線寬的模擬值低于實驗所得最小特征線寬，這是因為在從噴嘴到曲面基底以及沉積到曲面基底的過程中，由于不可避免的物理散射和擴散現象，氣溶膠流束的直徑逐漸增大，從而使最小特征線寬的模擬值低于實驗所得實際值。同理，由圖7b可知，當鞘氣流量為100 mL/min時，隨著載氣流量的增大，氣體流量聚焦比逐漸減小，沉積到曲面基底上的最小特征線寬呈增大的趨勢。綜合最小特征線寬隨氣體流量的變化結果可知，SLW與ALW呈相同的變化趨勢，且SLW始終低于ALW。

固定載氣流量、不同聚焦比條件下的線條形貌如圖8所示?？芍?，當聚焦比R=0.5時，由于鞘氣流量數值過小，對氣溶膠流束的聚焦壓縮、準直作用不明顯，導致沉積在曲面基底上的打印線條最小特征線寬過大，并且伴隨有嚴重的邊緣鋪展現象。在保持載氣流量不變的情況下，隨著鞘氣流量的逐漸增大，鞘氣的壓縮準直作用逐漸明顯，氣溶膠流束在沉積到曲面基底時向打印線條的中間聚攏，最小特征線寬顯著減小，邊緣鋪展現象得到抑制。但是當鞘氣流量大于400 mL/min時，由于鞘氣流量過大，噴嘴口處的流速過大，導致沉積到曲面基底上的氣溶膠液滴減少，并且會伴隨產生嚴重的衛星液滴與沉積空洞現象。

固定鞘氣流量、不同聚焦比條件下的線條形貌如圖9所示?？芍擱為0.5～1時，沉積線條的最小特征線寬過大且出現嚴重的過噴現象，這表明在過高的載氣流量條件下，噴射出的霧化液滴過多，沉積到曲面基底上的射流發生擴散，從而影響了打印線條的質量。當R增大到4時，載氣流量逐漸減小到25 mL/min，由于載氣流量降低，鞘氣的作用逐漸明顯，沉積線條的特征線寬明顯減小并呈現出更細致和清晰的形貌。繼續降低載氣流量至20 mL/min，可觀察到打印線條的特征線寬仍呈明顯遞減的趨勢，然而，由于載氣流量過小，沉積到曲面基底上的霧化液滴過少，沉積線條出現了嚴重的沉積空洞以及衛星液滴。

圖5 鞘氣流量為600 mL/min時的仿真圖

圖6 不同載氣流量下的噴印頭內部仿真圖

圖7 最小特征線寬隨氣體流量變化曲線

圖8 固定載氣流量、不同聚焦比下的線條形貌

圖9 固定鞘氣流量、不同聚焦比下的線條形貌

2.2 工作距離

保持載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、噴嘴直徑為500 μm不變，改變工作距離分別為1、2、3、4、5 mm，進行仿真分析及實驗驗證，仿真與實驗結果如圖10所示?？芍敼ぷ骶嚯x為1～2 mm時，由于噴嘴與曲面基底間的距離過小，在離開噴嘴后鞘氣不能及時起到良好的準直、壓縮作用，并且由于噴出液滴的初速度過大，沉積到基底上的氣溶膠流束的速度過大，液滴發生飛濺，出現了衛星液滴。隨著工作距離的逐漸增大，鞘氣有足夠的空間發揮作用，衛星液滴得到抑制，當工作距離增大到5 mm時，噴嘴與曲面基底之間的距離過大，鞘氣隨著距離的增大而逐漸減弱，氣溶膠流束出現不可避免的物理散射現象，沉積到曲面基底上的打印線條伴隨出現邊緣鋪展的過噴現象。

選取仿真結果中沉積到基底位置的顆粒軌跡寬度為模擬最小特征線寬（SLW），統計SLW與實際打印線寬ALW，如圖11所示?？芍钚√卣骶€寬數值整體呈增大的趨勢，SLW與ALW呈相同的變化趨勢，并且仿真的最小特征線寬預測值要低于實驗所得數值。這是由于所取預測值為顆粒接觸到曲面基底時的軌跡寬度，而實際實驗中沉積到曲面基底的顆粒會不可避免地隨著運輸氣體發生流動擴散以及彈射。當工作距離小于2 mm時，由于噴嘴與曲面基底間的距離過小，鞘氣沒有足夠的空間進行約束，氣溶膠流束的寬度未得到充分壓縮，并且，噴嘴口處的初速度過大，噴射出的液滴在基底上發生飛濺，導致沉積到曲面基底上的線寬數值略高。當工作距離增大到2～ 3 mm時，鞘氣的約束作用逐漸顯現出來，打印線條的寬度出現短暫減小的趨勢。當工作距離大于3 mm時，由于工作距離過大，鞘氣的約束作用逐漸減弱，噴射出的氣溶膠液滴在曲面基底上得到過分擴散，從而形成較寬的打印線條，沉積到基底上的最小特征線寬數值明顯增大。

圖10 不同工作距離下的噴印頭內部仿真圖與線條形貌

圖11 最小特征線寬隨工作距離的變化曲線

2.3 噴嘴直徑

保持載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm不變，改變噴嘴直徑分別為100、300、400、500、600、800 μm，進行仿真分析，顆粒軌跡與速度仿真結果如圖12所示。可知，當噴嘴直徑為100 μm時，由于噴嘴直徑過小，隨載氣進入毛細噴嘴內部的氣溶膠液滴過少，噴射出噴嘴的氣溶膠流束直徑過小。隨著噴嘴直徑的增大，進入毛細噴嘴的氣溶膠液滴逐漸增多，相應噴嘴口處射出的氣溶膠流束直徑增大。

選取鞘氣流量為400 mL/min、載氣流量為100 mL/min、工作距離為3 mm，改變噴嘴直徑分別為300、500、800 μm進行實驗，仿真與實驗結果如圖13所示?？芍?，隨噴嘴直徑的增大，最小特征線寬逐漸增大，SLW與ALW的變化趨勢相同，且SLW仍始終低于ALW。不同噴嘴直徑下的線條形貌如圖14所示。進一步分析可知，當噴嘴直徑為300 μm時，噴嘴出口直徑過小，出口處壓力過大，導致噴出的氣溶膠流束速度較快，載氣運輸的霧化液滴較少，從而沉積到曲面基底上時發生液滴飛濺，從而出現衛星液滴與沉積空洞的現象。隨著噴嘴直徑的增大，噴嘴口處的壓力逐漸減小，氣溶膠流束速度逐漸減弱，并且噴射出的霧化液滴變多，氣溶膠流束的橫截面積變大，導致沉積在曲面基底上的最小特征線寬數值變大，當直徑增大到800 μm時，伴隨有邊緣鋪展的過噴現象出現。

圖12 不同噴嘴直徑下噴印頭內部仿真圖

圖13 最小特征線寬隨噴嘴直徑的變化曲線

2.4 曲面基底下導電線路的打印

根據上述仿真與實驗分析的結果，選取鞘氣流量為400 mL/min、載氣流量為100 mL/min、噴嘴直徑為500 μm、工作距離為3 mm，以納米銀顆粒墨水為打印材料，以半球基底與3D打印的鞋墊為打印基底，打印導電線路，以實現電子線路在復雜曲面基底下的共形打印。曲面基底下的電子線路如圖15所示?？梢钥吹剑蛴【€條的精度與質量遠高于使用傳統噴墨打印技術所得到的打印線條的。柔性電子器件的制作通常需要將某一復雜的微導電圖案打印在柔性基底上，并在封裝完成后將其應用在不規則曲面上。由上述實驗結果可得，AMJP技術能夠在復雜曲面基底下實現直接的共形打印。這項技術極大地簡化了制作流程，并解決了柔性基底和復雜曲面表面可能產生的不兼容問題。因此，AMJP技術非常適用于不規則曲面上柔性電子器件的制作。

圖14 不同噴嘴直徑下的線條形貌

圖15 曲面基底下的電子線路

3 結論

通過仿真分析與實驗驗證的方式，研究了曲面基底下微噴射曲面共形打印的影響因素對打印線條最小特征線寬以及線條形貌的影響規律，主要結論如下：

1）在氣溶膠微噴射曲面共形打印過程中，載氣流量、鞘氣流量、工作距離以及噴嘴直徑等因素都對打印線條的最小特征線寬有顯著影響。最小特征線寬隨鞘氣流量的增大呈逐漸減小的趨勢，隨載氣流量、工作距離以及噴嘴直徑的增大呈逐漸增大的趨勢。

2）通過基于離散相模型的仿真分析，預測并優化了工藝參數對微噴射曲面共形打印結果的影響，為實驗提供了理論指導。同時，通過實驗研究獲取了實際的打印數據，驗證了仿真預測結果的準確性。

3）通過單因素實驗研究，確定當載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量為400 mL/min、工作距離為3 mm、噴嘴直徑為500 μm時，打印線條的最小特征線寬可達43 μm并且線條無明顯的衛星液滴和沉積擴散等缺陷。

[1] SECOR E B. Principles of Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2018, 3(3): 035002.

[2] WILKINSON N J, SMITH M A A, KAY R W, et al. A Review of Aerosol Jet Printing-A Non-Traditional Hybrid Process for Micro-Manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 105(11): 4599-4619.

[3] ALHENDI M, SIVASUBRAMONY R S, WEERAW-AR-NE D L, et al. Assessing Current-Carrying Capacity of Aerosol Jet Printed Conductors[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(11): 202000520.

[4] VLNIESKA V, GILSHTEIN E, KUNKA D, et al. Aerosol Jet Printing of 3D Pillar Arrays from Photopolymer Ink[J]. Polymers, 2022, 14(16): 3411.

[5] KRZEMINSKI J, KANTHAMNENI A, WAGNER D, et al. Microscale Hybrid Flexible Circuit Printed with Aerosol Jet Technique[J]. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2018, 17(5): 979-984.

[6] JABARI E, TOYSERKANI E. Aerosol-Jet Printing of Highly Flexible and Conductive Graphene/Silver Patterns[J]. Materials Letters, 2016, 174(1): 40-43.

[7] HUNG K Y, CHANG Y T, CHIEN C H, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Process on FR-4 Substrate[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3/4): 1-10.

[8] HINES D R, GU Y, MARTIN A A, et al. Considerations of Aerosol-Jet Printing for the Fabrication of Printed Hybrid Electronic Circuits[J]. Additive Manufacturing, 2021, 47: 102325.

[9] EBERHARDT, WOLFGANG, ZIMMERMANN, et al. Inkjet and Aerosol Jet (R) Printed Sensors on 2D and 3D Substrates[J]. Technisches Messen: Sensoren, Gerate, Systeme, 2016, 83(3): 139-146.

[10] HUNG Kuan-yi, CHANG Yi-tse, CHIEN Chih-hsuan, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Processon FR-4 Substrate[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3a4): 1147-1156.

[11] 朱濤, 張遠明, 宋時雨, 等. 氣溶膠微噴射打印柔性電路成形工藝研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(6): 183-192.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Forming Process of Flexible Circuit Based on Aerosol Micro-jet Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(6): 183-192.

[12] 雷濤, 劉秀利, 魏愷文. 基于3D打印的曲面共形天線液冷板設計與制造技術[J]. 機械設計與制造工程, 2022, 51(1): 42-47.

LEI Tao, LIU Xiu-li, WEI Kai-wen. Design and Manufacturing Technology of Liquid Cooling Plate for Curved Conformal Antenna Based on 3D Printing[J]. Mechanical Design and Manufacturing Engineering, 2022, 51(1): 42-47.

[13] YUCHAO Z, LINGKE Y, DEZHI W, et al. A High- Sensi-tivity Graphene Ammonia Sensor via Aerosol Jet Printing[J]. Sensors and Actuators: A Physical, 2021, 318: 112434.

[14] TAFOYA R R, SECOR E B. Understanding Effects of Printhead Geometry in Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2020, 5(3): 035004.

[15] 張鑫明, 郭拉鳳, 張遠明, 等. 氣溶膠噴墨打印工藝參數對圖案精度的影響[J]. 微納電子技術, 2018, 55(9): 688-693.

ZHANG Xin-ming, GUO La-feng, ZHANG Yuan-ming, et al. Influences of Aerosol Inkjet Printing Process Parameters on the Pattern Accuracy[J]. Micro Nano Electronic Technology, 2018, 55(9): 688-693.

[16] SALARY R, LOMBARDI J, WEERAWARNE D, et al. A Computational Fluid Dynamics Investigation of Pneumatic Atomization, Aerosol Transport, and Deposition in Aerosol Jet Printing Process[J]. Journal of Micro and Nano-Manufacturing, 2021, 9(1): 4049958.

[17] CHEN G, GU Y, TSANG H, et al. The Effect of Droplet Sizes on Overspray in Aerosol-Jet Printing[J]. Advanced Engineering Materials, 2017, 20(8): 1701084.

[18] CHEN Y D, NAGARAJAN V, ROSEN D W, et al. Aerosol Jet Printing on Paper Substrate with Conductive Silver Nano Material[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 58(10): 55-66.

[19] BLUMENTHAL T, FRATELLO V, NINO G, et al. Conformal Printing of Sensors on 3D and Flexible Surfaces using Aerosol Jet Deposition[C]// San Diego: Nanosensors, Biosensors, and Info-Tech Sensors and Systems 2013, International Society for Optics and Photonics, 2013, 8691: 86910P.

[20] PAULSEN J A, RENN M, CHRISTENSON K, et al. Printing Conformal Electronics on 3D Structures with Aerosol Jet Technology[C]// Future of Instrumentation International Workshop (FIIW) Proceedings, Gatlinburg, 2012: 6378343.

[21] CHEN I M, LIU Y T, YU X W, et al. Aerosol Printing and Flash Sintering of Conformal Conductors on 3D Nonplanar Surfaces[J]. Manufacturing Letters, 2021, 31(1): 119-123.

[22] LANGFORD N, SHINA S. Using Conformal Printed Electronics for 3D Printed Antenna Systems Building Blocks[C]// 2019 Pan Pacific Microelectronics Symposium, Pan Pacific, 2019: 8696768.

[23] RAMESH S, MAHAJAN C, GERDES S, et al. Numerical and Experimental Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Additive Manufacturing, 2022, 59: 103090.

[24] 劉波, 舒霞云, 常雪峰, 等. 雙層鞘氣聚焦對氣溶膠噴印粉末匯聚特性的影響[J]. 微納電子技術, 2022, 59(4): 365-372.

LIU Bo, SHU Xia-yun, CHANG Xue-feng, et al. Design and Experimental Study of Nanoparticle Aerosol Spray Printing System[J]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2022, 59(4): 365-372..

[25] 吳常健. 氣溶膠噴射打印系統設計及實驗研究[D]. 廈門: 廈門理工學院, 2020: 44-56.

WU Chang-jian. Design and Experimental Study of Aerosol Jet Printing System[D]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2020: 44-56.

[26] BINDER, SEBASTIAN, RAEDLEIN, et al. Analytical Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Aerosol Science and Technology: The Journal of the American Association for Aerosol Research, 2014, 48(9): 924-929.

Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing

ZHU Taoa, ZHANG Yuan-mingb*, SONG Shi-yub, WANG Zi-wena, HOU Zong-xiang

(a. College of Automation and Electrical Engineering, b. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276000, China; Computing and meta faculty, Universiti Pendidikan Sultan Idris, Tanjung Malim Perak 35900, Malaysia)

The work aims to explore the affecting factors in the aerosol micro-jet conformal printing process of curved surfaces, and study the impact rules of these factors on the minimum characteristic line width and morphology of the printed lines. For the affecting factors of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces, a research model based on numerical simulation and experimental verification was established. Based on computational fluid dynamics numerical simulation, the motion process of the aerosol jet inside the printing nozzle during the micro-jet conformal printing process of curved surfaces was simulated. The method of controlling variables was adopted to study the impact rules of gas flow, working distance and nozzle size on the printing process and printed lines, and single-factor experiments were designed for verification on this basis. The minimum characteristic line width showed a decreasing trend with the increase of the sheath gas flow and an increasing trend with the increase of the carrier gas flow, working distance and nozzle diameter. When the carrier gas flow was 100 mL/min, the sheath gas flow was 400 mL/min, the working distance was 3 mm, and the nozzle diameter was 500 μm, the minimum characteristic line width of the printed lines could reach 43 μm, and no obvious satellite droplets, cavity deposition and particle overspray defects were observed. Factors such as carrier gas flow, sheath gas flow, working distance and nozzle diameter significantly affect the minimum characteristic line width and micro-morphology of flexible circuits by aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces. The experimental results have the same changing rules as the simulation data, which verifies the feasibility of simulation of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces and lays the foundation for the study of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces.

aerosol micro-jet; curved surface conformal printing; computational fluid dynamics; simulation analysis; experimental verification

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.022

TH161；TH165

A

1674-6457(2023)11-0187-12

2023-06-26

2023-06-26

山東省自然科學基金（ZR2021ME109）；山東省創新能力提升工程（2022TSGC1340）

The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME109); Shandong Province Innovation Capacity Improvement Project Funding Project(2022TSGC1340)

朱濤, 張遠明, 宋時雨, 等. 氣溶膠微噴射曲面共形打印影響因素的仿真分析與實驗研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 187-198.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 187-198.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：蔣紅晨