MicroFab高精度雙噴頭交叉噴墨打印技術介紹與案例分享

噴墨打印是一種典型的材料噴射工藝，由于它可以在按需噴射中精確分配以及控制溶液的體積，因此它具有打印精度在10μm量級的精確點陣、2D圖案、3D圖案優(yōu)勢。然而，我們普遍認為噴墨打印技術主要的局限性在于其允許打印的溶液粘度范圍。一般來說，粘度高于70mpa*s（cp）的溶液會對打印質量產生負面影響，噴頭噴射溶液不穩(wěn)定或者堵塞會導致其無法達到最佳的噴射條件。同時，在生物打印過程中，一些生物材料可能會互相發(fā)生反應，在混合后，由于化學反應或凝膠作用，產生的粘度可能會太高，導致噴頭堵塞無法進行噴墨打印。那么對于這種反應性材料的打印，最好是在打印后進行溶液混合，可以使用交叉噴墨打印的方式來實現(xiàn)溶液在下落的空中進行混合。

交叉射流的噴墨打印是通過使用噴墨噴頭同時噴射出兩個（或者更多）液滴，在接收基板之上進行碰撞、混合和原位反應來構建圖形、點陣、3D結構等。該裝置可分為三個主要功能：液滴產生、液滴方向控制和接收基板調整。

通過不同的液滴、射流形成機制，如微分器、噴墨打印頭和空氣中微流體，可以使用液滴、射流在空氣中碰撞的概念來實現(xiàn)同步打印。

Christensen等人開發(fā)了一種基于交叉噴射的生物打印方法，可以將反應性材料作為碰撞液滴打印3D結構。同樣，Visser等人使用空氣中微流體技術制造了封裝的液滴，并進一步利用液滴射入空氣中的連續(xù)液體射流來制造不同材料的自由形狀。如果使用凝膠反應材料，它們會以凝膠過程的形式發(fā)生反應，從而形成用于3D結構打印的液滴。
 

　　　▲ 利用交叉噴墨進行的3D打印　　　　　　　　　　　　      ▲ 液滴碰撞過程 

實驗案例
實驗設置：使用直徑120μm的MJ-ABL壓電噴墨噴頭（MicroFab）產生的液滴頻率為20~60Hz，上升沿和下降沿時間參數(shù)為6μs，正電平、負電平時間為35~65μs，驅動壓電分別在±80V和±85V之間。為了保持所需的溶液穩(wěn)定，使用多通道氣控制器（MicroFab）施加背壓。通過使用定制的測角儀，將打印頭定向到相應的傾斜角α和β（通常為0~30°），分別對應打印噴頭1和打印噴頭2，從而使兩種射流軌跡相交。其中，1號打印噴頭用于海藻酸鹽，2號打印噴頭用于氯化鈣。

接收基底由一個不銹鋼絲網(wǎng)、過濾器和下面的Kimwipes紙巾組成的液滴吸收系統(tǒng)組成，如圖1所示，液體吸收系統(tǒng)的設計目的是為了吸收多余的液體，比如水，由于重力通過金屬絲網(wǎng)和紙巾排出。網(wǎng)孔尺寸分別為80μm、100μm和200μm，對應的公稱篩孔尺寸分別為177μm、149μm和74μm。打印噴頭運動由XY運動平臺控制，接收基板高度由Z軸運動平臺控制，打印結構的計算機輔助設計模型如圖2所示。打印噴頭運動速度從1~10mm/s。
 

　　　　　　▲ 圖一 交叉噴墨3D打印工藝　　　　　　 ▲ 圖二 實驗裝置

重力通過金屬絲網(wǎng)和紙巾排出。網(wǎng)孔尺寸分別為80μm、100μm和200μm，對應的公稱篩孔尺寸分別為177μm、149μm和74μm。打印噴頭運動由XY運動平臺控制，接收基板高度由Z軸運動平臺控制，打印結構的計算機輔助設計模型如圖2所示。打印噴頭運動速度從1~10mm/s。

MicroFab實驗案例
實驗設置：利用兩個安裝機構機械配合，將兩個40μm噴頭以一定的角度（~55°）放置。

一個安裝噴頭裝置可以相對于另一個裝置旋轉，以確保液滴的軌跡相交。

一個波形發(fā)生器作為主發(fā)生器（保證同步），觸發(fā)兩個設備的電驅動發(fā)生器（其中一個與同步脈沖有關的可變延遲；延遲的目的是為了保證從兩個裝置中產生的液滴同時到達他們的軌跡的交點）。

由波形發(fā)生器觸發(fā)的頻閃也用于照亮液滴的形成和合并。應用于LED頻閃的信號可以從同步的信號延遲，允許沿下落路徑的不同位置觀測液滴。

下面的圖像是以480HZ頻率觸發(fā)，實現(xiàn)去離子水的合并過程。合并后可以觀察到更大的液滴（對于大致相等的液滴，合并后的液滴直徑將大于原來的液滴∛2=1.25倍。）

▲ 液滴碰撞、融合的過程

RUIDU實驗案例
實驗設置：2個20μm噴頭，溶液都為95%的酒精。根據(jù)MicroFab提供的實驗數(shù)據(jù)，進行的復現(xiàn)實驗。裝置及結果如圖所示。
 

▲ 睿度實驗裝置

▲ 復現(xiàn)實驗結果