在各種基板上3D打印電子器件是增材制造的新興領(lǐng)域。直接打印電子產(chǎn)品的吸引力主要在于減少工藝步驟，降低資本設(shè)備成本和減少特定工具需求。

當然，市場上存在各種各樣的3D打印電子產(chǎn)品的技術(shù)。本期，3D科學(xué)谷通過深入了解與介紹（DW）直寫技術(shù)來揭示這總技術(shù)如何能夠?qū)崿F(xiàn)與大批量生產(chǎn)相媲美的單件成本潛力。通過生產(chǎn)高混合度的電子產(chǎn)品，DW直寫技術(shù)正在走向更精細，更具生產(chǎn)潛力的發(fā)展趨勢。

氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的技術(shù)挑戰(zhàn)

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，（DW）直寫技術(shù)中的一項主要技術(shù)是氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)，其中空氣動力學(xué)聚焦于實現(xiàn)打印約10μm的細微特征。氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)從墨水的霧化開始，產(chǎn)生直徑約1-2微米的液滴，霧化的液滴夾帶在氣流中并輸送到打印頭。合并的氣流以高速通過會聚噴嘴并離開打印頭，該噴嘴將氣溶膠流壓縮成小直徑，從而噴射在基板上完成打印工作。不過市場上盡管AJ技術(shù)已在實驗室環(huán)境中得到證實，但仍存在一些技術(shù)問題，限制了該技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中的推廣使用。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，霍尼韋爾的子公司美國National Technology & Engineering Solutions of Sandia在（DW）直寫技術(shù)的流體動力學(xué)方面進行了改進，從而有效的解決了當前氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)存在的技術(shù)問題：

這些問題包括：

- 模板 

用于氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的機械快門限制了其對于保形打印的有用性，并且在打印到打印表面期間傾向于排出在快門中收集的多余墨水，快門響應(yīng)時間（約10 ms）限制了高速處理能力。 

- 過噴

用于氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的超聲和氣動霧化（分別為UA和PA）方法產(chǎn)生多分散氣溶膠。多分散氣溶膠的空氣動力學(xué)聚焦導(dǎo)致印刷特征的邊緣上的過噴，通常較小的液滴聚焦在與較大的液滴不同的平面上（光學(xué)類比是色差）。 

- 工藝可靠性 

UA和PA方法產(chǎn)生具有寬液滴尺寸分布的氣溶膠，AJ工藝僅使用分布曲線小端的液滴。因此，氣溶膠使用率小于0.001％。因此，輸入到墨水的過量能量隨時間改變墨水特性，并影響打印機的輸出。低揮發(fā)性溶劑型油墨可延長高揮發(fā)性溶劑型油墨的印刷時間，然而，在兩種情況下，在墨水降解之前，總墨水利用率小于10％。有許多使用揮發(fā)性溶劑的優(yōu)質(zhì)墨水。為了抵消這種影響，最近在所有商業(yè)氣溶膠噴射（AJ）3D打印系統(tǒng)中添加了溶劑添加劑。這需要嚴格的溫度控制并使該系統(tǒng)更復(fù)雜。 

- 氣溶膠輸送

UA和PA方法的物理尺寸需要將霧化器安裝在距離打印頭一定距離處。到打印頭的氣溶膠傳輸距離允許液滴沉降，從而導(dǎo)致傳輸線中的堵塞或壓力脈沖，這些壓力脈沖會影響打印質(zhì)量。

- 多路復(fù)用打印噴嘴 

氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)在開發(fā)多噴嘴打印頭方面取得了一些成功，但除了上述問題之外，單獨的噴嘴模板和均勻的氣溶膠分布在擴展氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)方面也帶來了額外的挑戰(zhàn)。

 

- 材料輸出率 

氣溶膠理論表明，擴散限制了在任何給定時間內(nèi)給定空間內(nèi)可能存在的液滴數(shù)量，并且可存在的液滴數(shù)量與氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)感興趣的液滴范圍的液滴尺寸無關(guān)。這限制了當前采用UA和PA方法的氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的最大輸出速率。

雙流體動力學(xué)

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，霍尼韋爾旗下的美國National Technology & Engineering Solutions of Sandia實驗室正在開發(fā)一種用于雙流體動力打印的裝置，包括同軸管組件，該裝置包括：內(nèi)管，具有用于使墨流流過的出口孔；環(huán)形外管，用于使鞘液流過其中，其中鞘液具有比墨水流更高的速度，使得墨水流在從內(nèi)管的出口孔排出時被外鞘流體流體動力學(xué)聚焦。

此外，該裝置還可包括位于內(nèi)管出口孔下游的聚焦噴嘴，用于進一步聚焦其中的墨流。還可包括用于從內(nèi)管的出口孔下游的墨流中去除鞘液的裝置和用于再循環(huán)去除的鞘液的再循環(huán)通道。

National Technology & Engineering Solutions of Sandia所開發(fā)的兩種流體的流體動力學(xué)聚焦方法為電子和其他高性能應(yīng)用提供了一種新穎的微型打印技術(shù)。獨特的打印頭幾何形狀允許過量的鞘液與打印流動流分離，以便回收/再利用。

特別是，用于聚焦油墨的鞘液可以選擇性地蒸發(fā)，而對核心液體射流的沖擊最小。由此可以將聚焦的墨水沉積在基板上以產(chǎn)生所需的特征。液體噴射可以高度集中以產(chǎn)生非常精細的特征，微流體研究人員已經(jīng)證明，在微流體室中使用流體動力學(xué)聚焦可以生產(chǎn)直徑小至400nm的導(dǎo)電線路，這可用于開發(fā)新穎的印刷技術(shù)。

與氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)相比，液體射流具有幾個優(yōu)點。這些優(yōu)點包括：

- 液體射流非常穩(wěn)定，提供均勻的沉積。 

- 流體輸出速率可以非常高，以便快速打印小特征。

- 液體流具有非常好的邊緣清晰度，可實現(xiàn)RF應(yīng)用。

參考資料：US10130961B2_two fluid hydrodynamic_printing

來源：3D科學(xué)谷