供稿人:梁拓、高琳 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-01-11
目前的微纳尺度聚二甲基硅氧烷(PDMS)器件的制造方法要么需要高环境条件，要么需要高成本的复杂程序。电动喷墨打印(EHD)是一种有效制备微尺度PDMS器件的潜在方法，因为EHD打印具有环境友好、低成本、兼容各种油墨，最重要的是高分辨率等优点。然而，对基于PDMS的油墨的EHD印刷的研究却很少。
近日，爱荷华州立大学的研究团队对PDMS的EHD打印进行了研究。研究了几个关键参数对印刷工艺的影响，电压参数对打印图案的尺寸和打印频率进行了有效的控制。打印原理如图1所示。
图1 PDMS电动喷墨打印原理
为了研究电压对液滴直径和打印频率的影响，确定了其他参数：偏移距离为30µm，喷嘴直径为25µm，占空比为 25%，印刷速度为20mm/s。打印液滴的结果和液滴直径与打印频率相对于电压的关系如图2所示。从图中观察到液滴尺寸随脉冲电压的增加而减小。然而，液滴的分布变得更加密集。随着电压的增加，液滴的直径减小，但打印频率增加。在不同的电压下，形成液滴的脉冲周期的数目是不同的。在较高的电压下，较少的脉冲周期可以产生液滴。因此，打印频率增加，液滴的尺寸减小，因为电荷积累的时间较短。
图2 液滴的直径和打印频率相对于脉冲电压的关系（上）；以不同的脉冲电压打印（下）
图3 液滴直径和打印频率相对于电压频率的关系（左）；以不同的电压频率打印（右）
图4 打印图案：中国结（左）；字母（右）
为了研究频率对印刷行为的影响，另一个变量被固定：偏移距离为30µm，喷嘴直径为25µm，占空比为25%，印刷速度为15mm/s。图3给出了液滴的直径和相对于电压频率的打印频率，以及在不同电压频率下的打印的液滴。从图3（右）发现液滴的尺寸将随着频率的增加而减小。两个紧密液滴之间的距离减小。当频率很高时，打印频率不稳定，并且靠近主墨滴的地方有许多小的墨滴。从图3（左）可以看出，随着电压频率的增加，墨滴直径减小，打印频率增加。图4展示了打印的图案。
研究团队对PDMS的EHD打印工艺进行了研究，并对几个关键参数对印刷工艺的影响进行了研究以获得最佳的印刷质量。在未来的工作中，研究团队计划开发一个模拟工具来预测PDMS的印刷质量，并优化印刷工艺，以制备微尺度的三维PDMS结构。