舒霞云 歐陽麗 常雪峰 徐 鋼

(1 廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廈門 361024)

(2 精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門理工學(xué)院) 廈門 361024)

(3 廈門市智能制造高端裝備研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361024)

(4 集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361024)

0 引言

微滴噴射技術(shù)是一種數(shù)字化的精密流體分配技術(shù)，可以經(jīng)濟(jì)、快速地在不同基材上沉積金屬、聚合物、電子和光學(xué)材料等多種材料，廣泛應(yīng)用于有機(jī)半導(dǎo)體器件制造、3D 打印、微電子和微系統(tǒng)封裝與生物分析等領(lǐng)域[1-5]。常見的微滴噴射技術(shù)主要有熱氣泡式[6]、壓電式[7-8]、氣動(dòng)膜片式[9-10]、電流體動(dòng)力學(xué)[11-13]及聲泳噴印[14]等幾種類型。熱氣泡式微滴噴射由Canon[15]和HP[16]兩個(gè)打印機(jī)公司開發(fā)，通過加熱器使噴嘴處的墨水汽化產(chǎn)生氣泡，從而產(chǎn)生壓力，迫使墨水從噴嘴噴出。由于涉及墨水的汽化，對(duì)于無法產(chǎn)生氣泡的噴印材料并不適用且容易堵塞噴嘴。壓電式微滴噴射利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生變形對(duì)流體施加壓力脈沖并迫使液滴從噴嘴噴出。該技術(shù)適用的噴印材料范圍廣泛，但驅(qū)動(dòng)裝置價(jià)格昂貴且壓電晶體脆弱，不耐高溫。華中科技大學(xué)的學(xué)者開發(fā)了適用于多材料的氣動(dòng)膜片式微滴噴射系統(tǒng)，該裝置適用于多種噴印材料，且耐高溫，可用于熔融金屬材料，但對(duì)高黏度材料的噴印較為困難[9-10]。電流體動(dòng)力學(xué)噴印雖然不受噴嘴尺寸限制，但對(duì)噴印材料的導(dǎo)電性有嚴(yán)格限制且裝置需要配備高壓電路。Foresti 等[14]提出聲泳噴射方法，利用法布里-珀羅諧振器實(shí)現(xiàn)黏度范圍為0.5～25000 mPa·s 的多材料噴射，由此可見，聲泳噴印突破了傳統(tǒng)的噴墨打印僅適用于低黏度及特定電磁性材料的禁錮，在微滴噴射打印領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

菲涅爾透鏡是一種聲學(xué)聚焦元件，可將超聲波聚焦于某一點(diǎn)，并放大聲場中的聲壓幅值。本文采用菲涅爾透鏡作為外部超聲聚焦裝置設(shè)計(jì)了微滴噴射系統(tǒng)，利用透鏡的聚焦特性使放大后的聲場壓力直接作用于液滴，從而實(shí)現(xiàn)微小液滴的噴射，因此不受材料黏度和材料自身特性的制約。利用多物理場耦合仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了不同物性及不同黏度的材料的穩(wěn)定可控噴射。

1 菲涅爾透鏡聚焦聲泳打印裝置設(shè)計(jì)

1.1 聲泳噴印原理

正常情況下，液體在內(nèi)徑較小的噴嘴中由于毛細(xì)力較大而較難滴落，只有當(dāng)液滴足夠大時(shí)使重力大于毛細(xì)力才能正常滴落，即F重力＞F毛細(xì)力。當(dāng)施加與重力方向相同的力時(shí)，克服毛細(xì)力所需的重力將減小，即F重力+F聲輻射力＞F毛細(xì)力，此時(shí)液滴體積相對(duì)正常滴落時(shí)會(huì)大大減小，原理如圖1所示。

圖1 聲泳噴印原理Fig.1 Principle of acoustophoretic printing

由上述分析可知，聲泳噴印技術(shù)是一類使用聲輻射力來驅(qū)使液滴噴印的聲學(xué)打印技術(shù)。Gor’kov[17]提出可以用任意幾何形狀的靜止聲場的時(shí)間平均動(dòng)能和勢(shì)能來表達(dá)聲輻射力。當(dāng)應(yīng)用于小的可壓縮流體粒子時(shí)，將聲輻射力作為勢(shì)函數(shù)Urad的梯度給出：

其中：p為聲壓；c為聲速；Vp為粒子的體積；ρ為流體密度；v為流體速度；f1、f2表示散射系數(shù)，

其中：Ki代表體積模量；ρp代表粒子密度；f1、f2分別表示單極和偶極系數(shù)。這種基于散射理論的方法僅適用于粒子直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲波波長的情況。為了將理論拓展到聲學(xué)小粒子的限制之外，需要使用另一種數(shù)值方法。一般來說，所有力都可以用動(dòng)量通量來表示。Gor’kov 基于這點(diǎn)推導(dǎo)出了作用在任意聲場中的粒子上的力的閉式解析表達(dá)式。為了計(jì)算非線性聲輻射力，由聲場引起的動(dòng)量通量需要被計(jì)算到二階項(xiàng)，并將解代入通量積分[18]。Foresti等[19]的工作指出在不考慮熱黏性效應(yīng)的情況下，二階通量項(xiàng)可用式(5)表示：

式(5)中：ρf為聲介質(zhì)密度；c為聲介質(zhì)聲速；Prms為聲壓均方根；Velrms為聲質(zhì)點(diǎn)速度均方根。式(5)使用輻射壓力的瑞利方程[20]推出。作用在粒子上的聲輻射力可由粒子表面S上的輻射壓力積分得到，則聲輻射力為

式(6)中，n為粒子內(nèi)部到表面的法向分量。

1.2 聲泳噴印系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用外置聲學(xué)透鏡的方式液滴的聲泳噴印。菲涅爾透鏡作為一種聲學(xué)聚焦透鏡，由一系列同心圓環(huán)構(gòu)成，主要有球面型、曲面型及平面型透鏡。由于球面與曲面型透鏡加工困難且造價(jià)大，選用平面型聲透鏡作為本文的超聲聚焦結(jié)構(gòu)。聲泳噴印裝置的原理圖與實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

圖2 菲涅爾透鏡聚焦聲泳噴印系統(tǒng)Fig.2 Fresnel lens focused acoustophoretic printing system

噴印過程中，首先由超聲波發(fā)生器激勵(lì)超聲換能器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波傳播至菲涅爾透鏡后聚焦，聲場中聲壓被放大，透鏡中心處的噴嘴受到聲輻射力的影響，噴嘴中的液滴在聲輻射力與重力共同作用下克服毛細(xì)力滴落在基底上。基底不僅作為液滴的承載平臺(tái)，同時(shí)也起到反射超聲波的作用，可選用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)、玻璃等具有一定剛度且聲反射系數(shù)高的材料。整個(gè)打印實(shí)驗(yàn)過程都由高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄并用顯微鏡對(duì)基底上的液滴進(jìn)行尺寸檢測。

1.3 超聲聚焦裝置的設(shè)計(jì)

菲涅爾透鏡基于波的衍射原理制成[20-23]，當(dāng)超聲波經(jīng)過菲涅爾透鏡之后，由于衍射作用向透鏡中心位置聚焦，局部聲壓被放大，如圖3所示。

圖3 菲涅爾透鏡的作用原理Fig.3 Principle of Fresnel lens

本文中設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。其每圈半徑由式(7)確定[17]：

圖4 菲涅爾透鏡示意圖Fig.4 Schematic figure of Fresnel lens

式(7)中：rn(n≥1)表示第n個(gè)圈的半徑；r1為中心圓孔的半徑；λ為超聲換能器發(fā)射的超聲波的波長；F為預(yù)設(shè)焦距。

菲涅爾透鏡的半徑rn與預(yù)設(shè)焦距F呈正相關(guān)，為縮小整體尺寸，F(xiàn)應(yīng)盡量小，但F過小將導(dǎo)致透鏡的衍射效果減弱，從而影響對(duì)聲波的聚焦。在本文中透鏡的預(yù)設(shè)焦距F設(shè)為3 mm，起連接作用的橫杠在保證強(qiáng)度的前提下盡量減小其寬度，防止對(duì)聲場產(chǎn)生過多的干擾，其寬度設(shè)為3 mm。實(shí)驗(yàn)所用的超聲換能器的頻率f為20 kHz，因此λ為17 mm。將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)后可計(jì)算得到菲涅爾透鏡每圈的半徑。由于透鏡的厚度對(duì)于聲場有著重要影響，因此本文將在仿真分析中探究透鏡厚度對(duì)聲場的作用，從而選擇合適厚度的透鏡作為噴印裝置的聲學(xué)聚焦元件。加工完成的菲涅爾透鏡實(shí)物圖如圖4(b)所示，其材料為硬鋁，采用機(jī)械加工方式制成。

1.4 菲涅爾透鏡聚焦聲場建模及分析

1.4.1 聲場模型的建立與仿真分析

聲場仿真建模主要有兩方面的內(nèi)容：一是通過壓電效應(yīng)將靜電場的電勢(shì)與固體力學(xué)位移耦合計(jì)算得到振動(dòng)位移；二是通過聲-結(jié)構(gòu)邊界將壓力聲學(xué)與固體力學(xué)耦合計(jì)算得到聲壓。為減小計(jì)算量，采用二維軸對(duì)稱的方式建模。仿真模型及邊界條件如圖5 所示。表1 為聲場模型仿真參數(shù)，L表示透鏡與基底的間距，H為透鏡厚度，U為激勵(lì)電壓。

表1 聲場模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of acoustic field model

圖5 聲場仿真模型Fig.5 Simulation model of acoustic field

1.4.2 菲涅爾透鏡聚焦聲場仿真分析

圖6 為菲涅爾透鏡對(duì)聲場的影響。由于菲涅爾透鏡的超聲聚焦作用，當(dāng)超聲波經(jīng)過菲涅爾透鏡之后，會(huì)發(fā)生衍射從而向透鏡中心位置聚攏，形成一塊聲壓較高的聚焦區(qū)域。

圖6 菲涅爾透鏡對(duì)聲場的影響Fig.6 Influence of Fresnel lens on acoustic field

本文通過仿真模擬了添加菲涅爾透鏡和不添加菲涅爾透鏡下的聲場[24]，獲得了兩種情況下的最大聲壓值分別是1770 Pa和1118 Pa，如表2所示。通過對(duì)比計(jì)算得出有透鏡時(shí)下方的最大聲壓值約為無透鏡時(shí)的1.58倍。

表2 聚焦區(qū)域的最大聲壓Table 2 Maximum acoustic pressure in focus are

1.4.3 菲涅爾透鏡與基底間距對(duì)聲場的影響

透鏡與基底的間距由噴嘴的位置來確定，圖7為噴嘴、透鏡與基底三者的相對(duì)位置圖。

圖7 透鏡與噴嘴的相對(duì)位置Fig.7 Relative position of lens and nozzle

如圖8(a)所示的超聲駐波場中，分別存在正、負(fù)聲壓區(qū)與聲壓值為零的壓力節(jié)點(diǎn)。而聲輻射力方向由高壓指向低壓，如圖8(b)所示。由于相鄰節(jié)點(diǎn)的距離為λ/2 (λ為聲波的波長)，因此單個(gè)聲輻射力的作用區(qū)域?yàn)椴ㄩL的λ/4。若要實(shí)現(xiàn)液滴的穩(wěn)定滴落，噴嘴應(yīng)位于聲輻射力向下的區(qū)域。仿真中發(fā)現(xiàn)近基底處屬于高聲壓區(qū)，聲輻射力方向向上，因此在聲泳打印過程中噴嘴不宜距離基底太近，否則會(huì)出現(xiàn)液滴懸浮或者霧化的現(xiàn)象。

圖8 聲輻射力的作用原理及分布情況Fig.8 Principle and distribution of acoustic radiation force

基于上述作用機(jī)理，在噴印過程中噴嘴應(yīng)位于透鏡的聚焦區(qū)域(透鏡中心)附近，本文預(yù)設(shè)透鏡焦距為3 mm，即透鏡下方3 mm 左右處聲壓最大。為了使噴嘴中液滴受到最大聲輻射力且方向向下，X應(yīng)限制為3～7.25 mm。當(dāng)噴嘴出口與基底間距過小時(shí)，可能導(dǎo)致因聲輻射力過大造成的液滴懸浮甚至霧化。為了保證打印的連續(xù)性與穩(wěn)定性，綜合考慮透鏡、噴嘴和基底三者的相對(duì)位置后，L參數(shù)如表1 所示。圖9為L對(duì)聲場分布的影響，仿真模型中其他參數(shù)如下：H為3 mm，U為800 V。圖10 為隨透鏡與基底間距變化時(shí)透鏡下方聚焦區(qū)域的最大聲壓。

圖10 透鏡與基底間距對(duì)聲場壓力的影響Fig.10 Effect of lens-substrate distance on sound field pressure

仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)透鏡與基底間距逐漸增大時(shí)，透鏡下方聲壓值先增大后減小，間距為17 mm 時(shí)，聲壓值達(dá)到最大，且此時(shí)透鏡下方出現(xiàn)了輪廓清晰的聚焦區(qū)域，適合放置噴嘴。

1.4.4 菲涅爾透鏡厚度對(duì)聲場的影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果，L設(shè)定為17 mm。取U為800 V，分析表1中H參數(shù)對(duì)聲場的影響。聲場分布情況如圖11 所示，圖12 為透鏡厚度與聚焦區(qū)域的最大聲壓的變化曲線。

圖11 透鏡厚度對(duì)聲場分布的影響Fig.11 Influence of lens thickness on acoustic field distribution

圖12 透鏡厚度對(duì)聲場壓力的影響Fig.12 Effect of lens thickness on sound field pressure

仿真結(jié)果表明，透鏡的衍射效果與透鏡厚度呈正相關(guān)，隨著透鏡厚度的增加，透鏡下方聚焦區(qū)域聲壓值逐漸增大，但增大至一定值時(shí)增幅開始減小。高雅增[25]也曾指出，菲涅爾波帶片在結(jié)構(gòu)上厚度越大，衍射效率與分辨率越高。當(dāng)透鏡厚度為2 mm時(shí)，聲場中開始出現(xiàn)輪廓分明的正、負(fù)聲壓區(qū)?？紤]到整體尺寸不宜過大，選用厚度為5 mm的透鏡。

1.4.5 基底不同邊界條件對(duì)聲場的影響

為了研究邊界條件對(duì)聲場分布的影響，分別考慮相同結(jié)構(gòu)特性中基底為硬聲場邊界與阻抗邊界(z=ρ×c)時(shí)聲波經(jīng)過透鏡聚焦后的聲場分布情況[26]。由于多物理場仿真軟件中聲場邊界無法添加在固-氣交界面上，因此在探討邊界條件對(duì)聲場的影響中不考慮基底的形狀與尺寸，然而在實(shí)際中基底為單獨(dú)的域，且存在壁厚，仿真設(shè)置中，除基底邊界外，空氣域的其余邊界為平面波輻射邊界，不同聲場邊界條件的聲場分布與幅值結(jié)果如圖13所示。

圖13 基底壁邊界條件對(duì)聲壓分布與幅值的影響Fig.13 The comparison of the substrate wall boundary condition effects on the the acoustic pressure distribution and amplitude

與實(shí)際建模仿真結(jié)果相比，基底為硬聲場邊界條件與阻抗邊界條件時(shí)的聚焦區(qū)域最大聲壓均小于基底為完整區(qū)域時(shí)的最大聲壓，然而，使用阻抗邊界條件對(duì)聲場分布的影響較小。在本研究中，與其他類型的邊界條件設(shè)置相比，選擇將基底作為單獨(dú)域作為模擬的下一步驟。

2 聲泳打印流場仿真

2.1 流場模型的建立與網(wǎng)格劃分

為分析液體黏度、聲壓強(qiáng)度與噴嘴內(nèi)徑對(duì)噴印液滴尺寸的影響，對(duì)液滴噴印裝置進(jìn)行仿真分析。本次仿真對(duì)層流-相場和壓力聲學(xué)物理場進(jìn)行耦合，在層流-相場中調(diào)用壓力聲學(xué)接口的聲壓來計(jì)算聲輻射力。輻射壓力Prad與聲輻射力Fa的表達(dá)式如式(5)和式(6)所示，以體積力形式添加在層流接口中。流體入口速度設(shè)置為8 mm/s，模型最上方的邊界設(shè)置為超聲發(fā)射端。模型及網(wǎng)格劃分如圖14 所示，a為流體入口長度，b為噴嘴的第一段長度，c為噴嘴第二段長度，e為整個(gè)駐波場長度，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 流場模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Maximum acoustic pressure in focus area

圖14 聲泳打印流場模型Fig.14 Flow field model of acoustic printing

2.2 影響打印效果的主要因素分析

2.2.1 聲壓對(duì)噴印液滴尺寸的影響

將聲壓從0 Pa 逐漸增加至2000 Pa，觀察聲壓對(duì)噴印液滴尺寸的影響。其余參數(shù)設(shè)置如下：噴嘴內(nèi)徑為100 μm，材料動(dòng)力黏度為200 mPa·s。仿真結(jié)果如圖15 所示，聲壓大小與液滴尺寸呈負(fù)相關(guān)，這歸因于當(dāng)聲壓增加時(shí)，液滴受到的聲輻射力隨之增大，克服毛細(xì)力所需的重力隨之減小。圖16 為不同聲壓幅值下液滴尺寸變化曲線。

圖15 聲壓對(duì)液滴尺寸的影響Fig.15 Effect of acoustic pressure on droplet size

圖16 聲壓幅值對(duì)液滴尺寸的影響Fig.16 Effect of sound pressure amplitude on droplet size

2.2.2 材料黏度對(duì)噴印液滴尺寸的影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果，超生發(fā)射端的聲壓設(shè)置為2000 Pa，將材料黏度從100 mPa·s 增加至500 mPa·s，噴嘴內(nèi)徑保持不變。圖17 為材料黏度對(duì)液滴尺寸的影響效果圖，仿真發(fā)現(xiàn)材料黏度的變化對(duì)液滴尺寸的影響很小。原因是液滴受到的毛細(xì)力與表面張力相關(guān)，與黏度無關(guān)。圖18 為材料黏度對(duì)液滴尺寸的影響。

圖17 黏度對(duì)液滴尺寸的影響Fig.17 Effect of viscosity on droplet size

圖18 材料黏度對(duì)液滴尺寸的影響Fig.18 Effect of material viscosity amplitude on droplet size

2.2.3 噴嘴內(nèi)徑對(duì)噴印液滴尺寸的影響

選用內(nèi)徑為60 μm、80 μm、100 μm、120 μm、140 μm的5 種噴嘴，探究噴嘴內(nèi)徑對(duì)噴印液滴尺寸的影響。其余參數(shù)值如下：聲壓設(shè)置為2000 Pa，材料黏度為200 mPa·s。圖19為不同噴嘴內(nèi)徑下的液滴尺寸。仿真結(jié)果表明，當(dāng)噴嘴內(nèi)徑增大時(shí)，液滴直徑也增大。這歸因于內(nèi)徑越大，毛細(xì)力越大，液滴需要足夠大的體積克服毛細(xì)力。圖20 為噴嘴內(nèi)徑對(duì)液滴尺寸的影響。

圖19 噴嘴內(nèi)徑對(duì)液滴打印的影響Fig.19 Effect of nozzle inner diameter on droplet printing

圖20 噴嘴內(nèi)徑對(duì)液滴尺寸的影響Fig.20 Effect of nozzle inner diameter amplitude on droplet size

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證菲涅爾透鏡聚焦聲泳噴印的可行性并初步研究其噴印性能，根據(jù)上述仿真結(jié)果，本文組建了相應(yīng)的噴印裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，采用的超聲設(shè)備頻率為20 kHz，基底采用100 mm×100 mm 的PMMA 薄板。噴印實(shí)驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝與記錄，在聲泳打印過程中發(fā)現(xiàn)，噴印出的液滴在下落過程中發(fā)生霧化，霧化過程如圖21所示。

圖21 液滴霧化過程Fig.21 The process of droplet atomization

為使噴印液滴完整、穩(wěn)定地沉積在基底上，對(duì)霧化原因進(jìn)行分析，霧化原理如圖22所示。在重力與聲輻射力的共同作用下，液滴處于快速下落的狀態(tài)。隨后液滴進(jìn)入聲壓節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域，此時(shí)液滴受到向上和向下的聲輻射力共同作用，受到擠壓開始變形。當(dāng)聲輻射力小于流體內(nèi)阻力(表面張力與黏性應(yīng)力)液滴擠壓/拉伸變形但未破碎成小液滴；當(dāng)聲輻射力大于流體阻力時(shí)，液體的自由表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，導(dǎo)致液滴內(nèi)阻力難以保持其幾何形態(tài)的穩(wěn)定而發(fā)生霧化。

圖22 液滴霧化原理Fig.22 The principle of droplet atomization

基于超聲聚焦聲泳噴印原理，減小駐波場內(nèi)的聲壓可以有效減小液滴所受的聲輻射力，使得液滴在經(jīng)過聲壓節(jié)點(diǎn)區(qū)域時(shí)受到的擠壓力減小，但聲壓減小會(huì)導(dǎo)致生成的液滴尺寸變大。為保持聲場中的聲壓不變，調(diào)整噴嘴與基底的距離，使液滴在下落中獲得足夠快的速度，從而快速通過聲壓節(jié)點(diǎn)區(qū)域。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴與基底距離在11 mm 以上時(shí)，液滴不容易出現(xiàn)霧化現(xiàn)象，且噴印過程具備較好的穩(wěn)定性。

本文對(duì)同噴嘴內(nèi)徑下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇溶液進(jìn)行噴印實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)值如表4 所示。透鏡、基底、噴嘴三者相對(duì)位置如下：透鏡與基底間距為17 mm，噴嘴與透鏡間距為4 mm。圖23 為通過顯微鏡所觀察到的聚乙二醇溶液噴印在基底上的形貌，對(duì)應(yīng)的噴印液滴大小及噴印頻率如圖24所示。聚乙二醇溶液不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)于不同的黏度，由圖24 可知，黏度的改變對(duì)液滴直徑的影響較小，表明菲涅爾透鏡聚焦聲泳打印技術(shù)可以進(jìn)行高黏度材料的打印。當(dāng)噴印材料的黏度增加時(shí)，噴印頻率降低。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇噴印實(shí)驗(yàn)證明了本裝置原理的正確性以及噴印不同黏度液滴的可行性。

表4 實(shí)驗(yàn)中材料黏度特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Viscosity characteristics and structural parameters of materials in experiments

圖23 不同黏度下噴印液滴的形貌Fig.23 Morphology of jet printing droplets at different viscosity

圖24 聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噴印的影響Fig.24 Effect of mass fraction on printing

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置噴印多種材料的可行性，將上述噴印材料替換為UV 膠用于制備微透鏡陣列。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與噴印聚乙二醇時(shí)完全一致，分別用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)、PMMA、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、玻璃基底進(jìn)行沉積，使用紫外線固化，觀察其形貌，如圖25所示。

圖25 UV 膠在不同基底上的沉積Fig.25 Deposition of UV adhesive on different substrates

圖25 中UV 膠的沉積結(jié)果表明噴印過程中噴印材料均能正常滴落，所沉積的液滴形貌只與基底材料有關(guān)，說明該裝置的設(shè)計(jì)是成功的。隨機(jī)選取50 個(gè)在PDMS 上沉積的微透鏡進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖26 所示。直徑平均值為981.35 μm，最大直徑為1000.58 μm，最小直徑為960.76 μm，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.44 μm，證明了裝置的穩(wěn)定性，為微透鏡陣列的制備提供了一種新思路。

圖26 PDMS 基底上微透鏡直徑Fig.26 Microlens diameter on PDMS substrate

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)可用材料種類少和黏度適用范圍窄的問題，設(shè)計(jì)了基于菲涅爾透鏡的超聲聚焦微滴噴印裝置，通過仿真構(gòu)建聲泳噴印的聲流耦合模型，并以菲涅爾透鏡作為聲聚焦結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場的重新分布以及聲壓的可調(diào)增長。利用菲涅爾透鏡聚焦聲泳噴印裝置實(shí)現(xiàn)高黏度溶液的噴印，且生成的液滴尺寸與溶液粘度基本無關(guān)。利用優(yōu)選的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同黏度的聚乙二醇的穩(wěn)定噴印以及UV 膠的可控噴射，在PDMS 基底上得到了平均直徑約為981.35 μm 的微透鏡，其直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.44 μm，證實(shí)了以菲涅爾透鏡為聚焦結(jié)構(gòu)的聲泳噴印的可行性與穩(wěn)定性，為微透鏡陣列的制備提供了新思路，表明菲涅爾透鏡聚焦聲泳打印系統(tǒng)在微滴噴射打印領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

基于菲涅爾透鏡的聲泳噴印裝置雖然在實(shí)驗(yàn)室研究中取得一定進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn)與不足。目前的超聲設(shè)備大功率下運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)過熱，影響使用壽命，不能滿足長時(shí)間的聲泳噴印。除此之外，噴射過程中小尺寸的液滴易受聲場擾動(dòng)影響導(dǎo)致生成的液滴直線度降低，在未來的實(shí)驗(yàn)過程中仍需不斷改進(jìn)。