微滴噴射技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

羅志偉，趙小雙，羅瑩瑩，李志紅

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

液滴產(chǎn)生是自然界一種奇妙的物理現(xiàn)象，盡管人們?cè)缇驮谧匀唤缰杏^察到了液滴，但直到19世紀(jì)，科研工作者才開始對(duì)液滴的產(chǎn)生機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行深入細(xì)致的研究［1］。在20世紀(jì)70年代，噴墨打印機(jī)［2］的發(fā)明使得計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)可被打印成文字以及工業(yè)上可在各種產(chǎn)品上打印條碼和生產(chǎn)日期等，這表明微滴產(chǎn)生技術(shù)走向了真正實(shí)際應(yīng)用。噴墨打印機(jī)是基于液滴噴射開發(fā)的一種非擊打式點(diǎn)陣印刷技術(shù)，常稱“噴墨”(inkjet)技術(shù)。盡管與激光打印機(jī)相比存在局限，但噴墨打印機(jī)作為精確、高效且可控微滴技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品商業(yè)化上獲得了巨大成功。隨著微滴產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，已經(jīng)從單純的噴墨打印拓展到生物醫(yī)藥、材料成型、微電子機(jī)械制造、微電子封裝、航空航天、基因工程、建筑行業(yè)等領(lǐng)域，進(jìn)一步展示了微滴噴射技術(shù)的廣闊的應(yīng)用前景［3］。

1 微滴噴射技術(shù)分類與特點(diǎn)

微滴噴射技術(shù)源于噴墨打印技術(shù)，噴射液滴的體積一般為納升至微升量級(jí)，甚至可達(dá)到皮升量級(jí)。該技術(shù)分配液體的體積十分精準(zhǔn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、定位精度高、節(jié)省原料等優(yōu)點(diǎn)。目前，微滴噴射技術(shù)主要有連續(xù)噴射式［4］和按需噴射式［5］2類。連續(xù)噴射式根據(jù)偏轉(zhuǎn)形式分為等距離偏轉(zhuǎn)式和不等距離偏轉(zhuǎn)式［6］;按需噴射式按其驅(qū)動(dòng)方式不同分為壓電式［7-9］、熱泡式［10］、超聲聚焦式［11-12］、氣動(dòng)式［13-15］、機(jī)械式［16］、氣動(dòng)膜片式［17］、電磁式［18］等。微滴噴射技術(shù)的分類如圖1所示，由于二者的噴射原理不同，則其裝置結(jié)構(gòu)也有很大的區(qū)別。

圖1 微滴噴射技術(shù)分類

連續(xù)噴射(continuous-ink-jet，CIJ)通過在液體腔內(nèi)施加恒定壓力，迫使腔體內(nèi)流體從噴嘴以較高速度形成射流，在流體腔內(nèi)擾動(dòng)或者在表面張力作用下射流斷裂成滴。連續(xù)微滴噴射方式能產(chǎn)生高速液滴，噴射速度高，微滴產(chǎn)生效率高，可應(yīng)用于多種水溶性材料，廣泛應(yīng)用于彩色打印，其工作速度比按需噴射模式快。但其較為明顯的缺點(diǎn)是:液滴直徑難以細(xì)化;成型分辨率低;微滴噴射模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需增加加壓裝置對(duì)待噴射溶液加壓;充電偏轉(zhuǎn)控制液滴方向，還需回收裝置對(duì)廢液滴進(jìn)行收集，造成了微滴噴射的可控性差、成本高。圖2為典型的連續(xù)金屬液滴噴射原理示意圖。

按需噴射(drop on demand，DOD)是液體在外力作用下，打破噴口附近的平衡狀態(tài)，形成射流，同時(shí)控制射流斷裂成滴。圖3所示為典型壓電式按需噴射原理示意圖。

圖2 連續(xù)液滴噴射

圖3 典型壓電式的按需微滴噴射

按需微滴噴射能夠按要求噴射出所需要的液滴大小，作為噴射裝置的一個(gè)激勵(lì)信號(hào)。裝置在收到激勵(lì)信號(hào)后產(chǎn)生相應(yīng)的位移或壓力變化，使液體通過噴口噴出，形成所需的液滴。相比連續(xù)噴射，按需噴射無需液滴回收裝置和液滴偏轉(zhuǎn)裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，驅(qū)動(dòng)壓力波形可調(diào)。但受微滴噴射頻率較低等因素影響，按需噴射式通常采用多噴嘴噴射的方法來提高微滴產(chǎn)生效率。

按需噴射因工作原理的差異，各種噴射方式各有優(yōu)缺點(diǎn)［19］，如表1所示。

表1 按需微滴噴射方式比較

2 國(guó)內(nèi)外微滴噴射技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)各種金屬材料開發(fā)了不同的微噴裝置，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式大體可分為氣壓驅(qū)動(dòng)式、應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式、電磁力驅(qū)動(dòng)式和激光熔融式［20］、激光式氣動(dòng)噴射式、壓電驅(qū)動(dòng)式等。肖淵等［21］成功開發(fā)了氣壓驅(qū)動(dòng)錫鉛合金和鋁合金材料的噴射裝置，結(jié)合超聲給粉技術(shù)［22］用于非均質(zhì)金屬制件的噴射成形;王永先等［23］利用可控電磁力作為驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)了焊錫的按需噴射;李富全［24］等利用激光能量將焊絲融化借助氣壓作用將焊球從噴嘴中噴出，成功制出焊球;周詩(shī)貴［25］巧妙利用疊層式壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)部件，通過推桿推動(dòng)驅(qū)動(dòng)膜片變形實(shí)現(xiàn)液體按需噴射;CHENG等［26］和 CAO 等［27］以壓縮氣體作為驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)了鋁合金熔滴的按需噴射。Chun［28］和 Orme［29］等分別利用射流破碎技術(shù)將液態(tài)金屬射流破碎成金屬均勻液滴束流，收集到均勻的球狀金屬粉末。

從國(guó)內(nèi)外開發(fā)的各類噴射裝置來看，采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式的液態(tài)金屬微噴裝置可獲得最小直徑為85 μm的金屬液滴，穩(wěn)定頻率只有5 Hz;應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)方式可獲得比噴嘴直徑更小的液滴，研究人員獲得了直徑為63.8 μm的金屬液滴，但頻率也只有5 Hz;而采用激光熔融式及激光式氣動(dòng)的微噴裝置，激光的上下位置和激光的功率以及焊絲的直徑都必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)出現(xiàn)在聚焦點(diǎn)先融化而其他部分還來不及融化的情況，從而得不到理想液滴，并且頻率較低;周詩(shī)貴等研究的裝置噴射流量小，需要給壓電材料提供高壓，或采用放大機(jī)構(gòu)或增大噴射裝置的體積，同時(shí)該裝置對(duì)噴射的流體的性能要求高。王永先等研究的電磁力微噴裝置的噴射頻率僅為1～5 Hz，液滴直徑在2 mm左右，噴射裝置體積較大。總體而言，各種液態(tài)金屬微噴裝置噴射頻率較低、裝置較復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定較難控制，較難應(yīng)用到各工程領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)推廣。

3 微滴噴射技術(shù)的應(yīng)用

目前微噴技術(shù)主要應(yīng)用于噴射點(diǎn)膠、生物醫(yī)藥、材料成型、微電子機(jī)械制造、微電子封裝、航空航天、基因工程、建筑工程等領(lǐng)域。基于液體微噴技術(shù)的點(diǎn)膠技術(shù)經(jīng)歷了如圖4所示的發(fā)展歷程。點(diǎn)膠技術(shù)經(jīng)歷了由針管/接觸式方法向噴射/非接觸式方法的轉(zhuǎn)變。非接觸式噴膠擁有更多的優(yōu)勢(shì)。速度優(yōu)勢(shì):無需Z軸移動(dòng)，具有更快的噴射率;具有質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì):具有更小的膠點(diǎn)、更精確的點(diǎn)膠位置、更小的浸濕范圍、更好的線形;成本優(yōu)勢(shì):降低了芯片成品維護(hù)成本;應(yīng)用范圍可達(dá)到針頭無法進(jìn)入的區(qū)域，材料的流體黏度范圍更廣。

液態(tài)金屬微滴噴射技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始研究的課題［30］。金屬微滴噴射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微量金屬材料(如銅［31］、鋁合金［32］、錫鉛合金［33］)的精確分配與定點(diǎn)沉積，在金屬?gòu)?fù)雜件成形、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)三維封裝［34-36］、微電路快速打?。?7］等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，如圖5、6所示。該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、成本低、無污染、非接觸及原材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)［38-39］。

圖4 微噴點(diǎn)膠技術(shù)發(fā)展史

圖5 液態(tài)金屬微滴噴射應(yīng)用

圖6 液體微噴技術(shù)在封裝、貼裝、微電子制造方面的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)界通過微噴技術(shù)精確定量細(xì)胞溶液的分配，可以實(shí)現(xiàn)人造骨骼［40］、人造肝臟、細(xì)胞重組［41］;可制造可降解聚合物人體支架［42］(如圖6所示)來進(jìn)行醫(yī)學(xué)上各種疑難雜癥的治療。

材料成型行業(yè)通過微滴噴射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)材料的無模具成型、制造復(fù)雜形狀的零部件以及微型器件，如通過3D打印技術(shù)可以打印出形狀復(fù)雜的工藝品［43］、大型飛機(jī)模型［44］、飛機(jī)主承力構(gòu)件(如圖7)，從而有效解決材料對(duì)加工工具和模具的依賴性和傳統(tǒng)的材料成型方式在加工復(fù)雜形狀以及微型零件部件時(shí)工藝周期長(zhǎng)、成本高的問題。

圖7 微噴技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、材料成型方面應(yīng)用

4 課題組研究成果

課題組研究的電磁式按需微滴噴射模式的工作原理是利用通電的導(dǎo)電金屬液體在磁場(chǎng)中在洛倫茲力作用下從微米級(jí)的噴嘴中噴出。微滴噴射裝置采用單片機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)金屬液滴的按需噴射。電磁微滴噴射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噴射過程中無機(jī)械磨損、機(jī)械噪聲，噴射效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。課題組主要研究了對(duì)水銀的噴射。水銀是在常溫、常壓下唯一以液態(tài)存在的金屬;25℃下，水銀的黏度為1.526×10-3Pa·s，容易蒸發(fā)。課題組通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，在恒定的電壓、電流、磁場(chǎng)、溫度下可有效得到:① 采用100 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為65～70 μm;② 采用150 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為108～110 μm;③ 采用250 μm噴嘴噴射出的水銀液滴直徑為270～280 μm。同時(shí)，能夠較為穩(wěn)定地打印出X，M，T字母及簡(jiǎn)單的陣列圖形。裝置示意圖如圖8所示。

圖8 微噴裝置原理示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

微滴噴射技術(shù)無需用到激光器等高成本設(shè)備，故其成本相對(duì)較低。而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以進(jìn)一步結(jié)合微機(jī)械加工技術(shù)，使系統(tǒng)集成化、小型化。隨著微滴噴射技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子封裝、微電子機(jī)械制造、生物醫(yī)藥、航空航天、材料成型等領(lǐng)域，人們的生活方式將不斷發(fā)生改變。但由于微滴尺寸微小、沉積速度快，故實(shí)現(xiàn)對(duì)微滴形成的精度和噴射狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)微滴穩(wěn)定噴射需要解決的技術(shù)難題。而進(jìn)一步提高微滴沉積精度、實(shí)現(xiàn)精確制備零件是微滴噴射技術(shù)成形微小件需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，能用于微滴噴射的材料主要是非金屬和少數(shù)低熔點(diǎn)金屬材料，而高熔點(diǎn)的金屬應(yīng)用甚少。因此，各大高校和企業(yè)應(yīng)加快微滴噴射裝置平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)、噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、高熔點(diǎn)金屬材料噴射的研究以及加強(qiáng)微滴噴射技術(shù)理論的推廣和應(yīng)用。盡管目前微滴噴射技術(shù)在研究和推廣過程中存在一些問題，但可以預(yù)見，隨著研究的進(jìn)一步深入，微滴噴射技術(shù)將有更廣泛的應(yīng)用前景。

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