谷研究 l 看双流体动力打印如何实现高性能电子产品的制造？

| 3DScienceValley · 2018/12/01

在各种基板上3D打印电子器件是增材制造的新兴领域。直接打印电子产品的吸引力主要在于减少工艺步骤，降低资本设备成本和减少特定工具需求。

当然，市场上存在各种各样的3D打印电子产品的技术。本期，3D科学谷通过深入了解与介绍（DW）直写技术来揭示这总技术如何能够实现与大批量生产相媲美的单件成本潜力。通过生产高混合度的电子产品，DW直写技术正在走向更精细，更具生产潜力的发展趋势。

气溶胶喷射（AJ）3D打印技术的技术挑战

根据3D科学谷的市场研究，（DW）直写技术中的一项主要技术是气溶胶喷射（AJ）3D打印技术，其中空气动力学聚焦于实现打印约10μm的细微特征。气溶胶喷射（AJ）3D打印技术从墨水的雾化开始，产生直径约1-2微米的液滴，雾化的液滴夹带在气流中并输送到打印头。合并的气流以高速通过会聚喷嘴并离开打印头，该喷嘴将气溶胶流压缩成小直径，从而喷射在基板上完成打印工作。不过市场上尽管AJ技术已在实验室环境中得到证实，但仍存在一些技术问题，限制了该技术在商业应用中的推广使用。

根据3D科学谷的市场观察，霍尼韦尔的子公司美国National Technology & Engineering Solutions of Sandia在（DW）直写技术的流体动力学方面进行了改进，从而有效的解决了当前气溶胶喷射（AJ）3D打印技术存在的技术问题：

这些问题包括：

- 模板
用于气溶胶喷射（AJ）3D打印技术的机械快门限制了其对于保形打印的有用性，并且在打印到打印表面期间倾向于排出在快门中收集的多余墨水，快门响应时间（约10 ms）限制了高速处理能力。

- 过喷
用于气溶胶喷射（AJ）3D打印技术的超声和气动雾化（分别为UA和PA）方法产生多分散气溶胶。多分散气溶胶的空气动力学聚焦导致印刷特征的边缘上的过喷，通常较小的液滴聚焦在与较大的液滴不同的平面上（光学类比是色差）。

- 工艺可靠性
UA和PA方法产生具有宽液滴尺寸分布的气溶胶，AJ工艺仅使用分布曲线小端的液滴。因此，气溶胶使用率小于0.001％。因此，输入到墨水的过量能量随时间改变墨水特性，并影响打印机的输出。低挥发性溶剂型油墨可延长高挥发性溶剂型油墨的印刷时间，然而，在两种情况下，在墨水降解之前，总墨水利用率小于10％。有许多使用挥发性溶剂的优质墨水。为了抵消这种影响，最近在所有商业气溶胶喷射（AJ）3D打印系统中添加了溶剂添加剂。这需要严格的温度控制并使该系统更复杂。

- 气溶胶输送
UA和PA方法的物理尺寸需要将雾化器安装在距离打印头一定距离处。到打印头的气溶胶传输距离允许液滴沉降，从而导致传输线中的堵塞或压力脉冲，这些压力脉冲会影响打印质量。

- 多路复用打印喷嘴
气溶胶喷射（AJ）3D打印技术在开发多喷嘴打印头方面取得了一些成功，但除了上述问题之外，单独的喷嘴模板和均匀的气溶胶分布在扩展气溶胶喷射（AJ）3D打印技术方面也带来了额外的挑战。

- 材料输出率
气溶胶理论表明，扩散限制了在任何给定时间内给定空间内可能存在的液滴数量，并且可存在的液滴数量与气溶胶喷射（AJ）3D打印技术感兴趣的液滴范围的液滴尺寸无关。这限制了当前采用UA和PA方法的气溶胶喷射（AJ）3D打印技术的最大输出速率。

双流体动力学

根据3D科学谷的市场观察，霍尼韦尔旗下的美国National Technology & Engineering Solutions of Sandia实验室正在开发一种用于双流体动力打印的装置，包括同轴管组件，该装置包括：内管，具有用于使墨流流过的出口孔；环形外管，用于使鞘液流过其中，其中鞘液具有比墨水流更高的速度，使得墨水流在从内管的出口孔排出时被外鞘流体流体动力学聚焦。

此外，该装置还可包括位于内管出口孔下游的聚焦喷嘴，用于进一步聚焦其中的墨流。还可包括用于从内管的出口孔下游的墨流中去除鞘液的装置和用于再循环去除的鞘液的再循环通道。

National Technology & Engineering Solutions of Sandia所开发的两种流体的流体动力学聚焦方法为电子和其他高性能应用提供了一种新颖的微型打印技术。独特的打印头几何形状允许过量的鞘液与打印流动流分离，以便回收/再利用。