气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的仿真分析与实验研究

朱涛，张远明，宋时雨，王子文，侯宗香

气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的仿真分析与实验研究

朱涛a，张远明b*，宋时雨b，王子文a，侯宗香

（临沂大学 a.自动化与电气工程学院 b.机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000；苏丹依德里斯教育大学计算机技术学院，马来西亚 霹雳州 丹戎马琳市 35900）

探究气溶胶微喷射曲面共形打印过程中的影响因素，并研究这些因素对打印线条最小特征线宽及形貌的影响规律。针对微喷射曲面共形打印的影响因素，构建基于数值模拟及实验验证的研究模式。基于计算流体力学的数值模拟，对微喷射曲面共形打印过程中喷印头内气溶胶流束喷射的运动过程进行仿真分析。采用控制变量法研究气体流量、工作距离以及喷嘴大小对打印过程及打印线条的影响规律，并在此基础上设计单因素实验加以验证。实验结果表明，最小特征线宽随鞘气流量的增大而逐渐减小，随载气流量、工作距离以及喷嘴直径的增大而逐渐增大。当载气流量为100 mL/min、鞘气流量为400 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm时，打印线条的最小特征线宽可达43 μm，且未出现明显卫星液滴、沉积空洞及颗粒过喷等缺陷。载气流量、鞘气流量、工作距离与喷嘴直径等因素显著影响了微喷射曲面共形打印柔性电路的最小特征线宽及微观形貌。实验结果与仿真数据具有相同的变化规律，验证了微喷射曲面共形打印仿真的可行性，为微喷射曲面共形打印的研究奠定了基础。

气溶胶微喷射；曲面共形打印；计算流体力学（CFD）；仿真分析；实验验证

气溶胶微喷射打印（Aerosol Micro-jet Printing，AMJP）技术是一种利用惰性气体将液态材料雾化并打印成精细颗粒的技术，常被应用于微型器件制造、生物医学、纳米材料等领域[1-2]。该技术利用气流控制颗粒的运动轨迹，在所需打印的位置上自动喷射颗粒，并使其凝固成形，具有高分辨率、低成本、不接触等优点[3-6]。一方面，AMJP技术具有不接触、兼容大多数材料等特点，可在非平面结构表面实现微电子图案的直接共形打印。另一方面，基于AMJP技术的曲面共形打印可以将传统的平面加工向三维空间扩展，实现非平面基底的快速制造，提高制造的灵活性和可靠性，节约大量的制造成本和时间。因此，该技术被广泛应用于柔性电子、生物医学、可穿戴设备等领域[7-12]。

尽管AMJP技术在许多领域具有独特的优势，但当前该工艺仍存在着一些挑战和限制。在打印过程中，AMJP技术的精度和可靠性受到气溶胶多相流的流量、压力、喷嘴直径和喷射距离等多种因素的影响。因此，在不同的打印任务中，需要针对具体任务进行优化。目前，国内外针对用AMJP技术在平面基底下打印微导电图案的成形精度进行了广泛研究[13-15]。为提高对流场行为的理解，进一步改进和优化AMJP技术，还对AMJP技术在二维基底打印工作过程中涉及的气溶胶传输、沉积过程以及液滴状态进行了相关流体动力学研究。Salary等[16]建立了一个基于物理的计算平台，用于预测气溶胶流动状态并最终实现了AMJP过程的物理驱动控制，对打印喷头以及气动雾化器内部气流进行了有限元仿真分析，并针对气体流量这一因素进行了相关实验验证，为实施物理驱动的AMJP原位监测和控制奠定了基础。Chen等[17]开发了一个完整的气溶胶载气流（CGF）的三维CFD模型，并使用该模型精确分析了标准AMJP过程中控制过度喷涂的基本流体力学原理，模拟分析了油墨流中各种尺寸的单分散液滴轨迹，以揭示液滴尺寸和气流速率之间复杂的相互作用产生的过喷现象。此外，在平面基底下进行制造柔性电子器件，可能存在曲面基底与复杂曲面不兼容的问题，因此，利用AMJP技术在复杂曲面上直接共行打印可以高效解决此问题并节约制造成本与时间。AMJP的材料选择范围相对较窄，只能处理特定类型的可溶或可分散物质，而无法直接喷印未经处理的原材料。在曲面上打印时，AMJP容易面临气溶胶因表面变化而聚集或分散，从而导致打印质量不稳定的问题。针对上述问题，Chen等[18]提出基于AMJP在纸基底上打印导电银纳米材料的方法及其关键工艺控制，结果表明，所打印结构的片电阻测量值为1.13×10−2Ω/m2，相当于大于106S/m的导电率，接近块体银（6.30× 107S/m）的导电率。Blumenthal等[19]探究了AMJP对不同基板（如玻璃、聚合物、纸等）的适应性，他们使用气溶胶喷印与三轴联动控制在复杂曲面上对天线和传感器进行了共形打印，并证明AMJP可以在1～11 mm的间距范围内均匀地在曲面基底上沉积。Paulsen等[20]提出了基于AMJP在3D结构上打印共形电子的方法，并研究了共形相控阵天线、嵌入式电路和传感器以及电子封装的制造工艺。此外，还有学者尝试将AMJP与其他先进制造技术相结合，以实现更高精度、更复杂的曲面打印。Chen等[21]提出将AMJP与闪光烧结相结合，在非平面3D曲面上打印纳米导线并立即烧结，快速且高效地打印了共形电路。Langford等[22]使用AMJP将天线、微带线和匹配电路结构作为单个元件印刷在3D曲面上，并将其组合成射频系统，得出由AMJP制造的537 Ω电阻能够处理高达15 W的连续功率而不会出现故障的结论。上述学者利用AMJP技术实现了非平面基底下的导线打印，但并未对AMJP工作过程进行相关的研究分析，且打印的导线线宽在毫米级，未进行相关的打印工艺优化。

目前针对AMJP主要的研究方向是改进打印设备并优化打印流程，以提高打印效率和质量。本文采用数值模拟方法预测气溶胶颗粒的物理行为以及打印过程中多相流的状态变化，通过仿真分析鞘气流量、载气流量、工作距离以及喷嘴直径对打印过程的影响，并采用仿真总结得出的不同工艺参数进行相关实验验证。基于仿真分析和实验验证研究，实现AMJP曲面共形打印的流场分析和打印参数优化的目标，以期为微喷射曲面共形打印实验与应用研究提供数据参考。

1 实验

1.1 方法

采用ZK-DryCure-Ag纳米银颗粒导电油墨（山东中科智能设备有限公司），粒子直径<50 nm，墨水黏度为0.004～0.01 Pa·s，纳米银颗粒固含量（质量分数）为10%，鞘气和载气均为干燥的高压氮气。打印基底采用山东中科智能设备有限公司生产的半球模型基底，半径为50 mm。

采用自主研发的气溶胶微喷射曲面共形打印装置，如图1所示，在半球基底上共形打印导电线路，研究不同载气流量（s）、鞘气流量（c）、工作距离（）、喷嘴直径（）对微喷射曲面共形打印的影响。在保持载气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm的情况下，改变鞘气流量，研究鞘气流量对曲面共形打印的影响。同理，通过控制变量法研究载气流量、工作距离、喷嘴直径对曲面共形打印的影响，微喷射曲面共形打印的实验因素如表1所示。选择DZF-6020BZ真空干燥箱（上海仪昕科学仪器有限公司）在150 ℃下加热30 min对打印导电线路烧结固化，使用CMY-290三目金相显微镜（上光仪器有限公司）观察分析导电线条的微观形貌。

图1 微喷射曲面共形打印装置

表1 微喷射曲面共形打印单因素实验设计

1.2 数值模拟

1.2.1 模型假设及控制方程

喷嘴内的气溶胶流动是一个复杂的多相流动过程，涉及颗粒的输运、碰撞和沉积等复杂的运动和反应过程。喷嘴内部的多相流仿真分析有利于在实际中提高气溶胶微喷射打印过程中的喷射精度，并且可对喷嘴内部多相流的运动行为进行可视化分析，揭示气溶胶多相流喷射过程的变化规律，快速评估工艺参数对柔性电路成形的影响，为实验设计和工艺优化提供参考。在气溶胶微喷射曲面共行打印过程中，多相流的本质是固体纳米银颗粒悬浮在液态的溶剂中形成由载气运输的雾化液滴，气溶胶流束在气喷印头内，受到多种因素影响，为便于理论模型的计算，做出如下假设：1）在微喷射曲面共形打印过程中，气溶胶与鞘气不压缩；2）在气溶胶流束中，纳米银颗粒与氮气的体积比远小于10%，采用离散相模型计算，假设离散相颗粒与连续相颗粒的速度相同，并且颗粒均为非旋转的均匀圆球形；3）所提出的CFD模型不考虑油墨与基底的相互作用；4）本次实验计算所需气喷印头内部雷诺数<2 300，鞘气与气溶胶流束处于层流状态[23]。

在CFD模拟过程中，采用基于密度的Navier-Stokes方程求解微喷射打印喷头内的多相流问题。密度场、速度场、温度场分别由连续性微分方程、动量守恒方程、能量守恒方程给出，氮气的质量密度和动态黏度则分别使用理想气体状态方程和Sutherland公式模拟计算得出，描述气体剪切黏度的Sutherland公式如式（1）所示[24-25]。

式中：为气体黏度；0为参考温度，通常为273.15 K；0为参考温度0下的气体黏性系数；S为气体的Sutherland常数，表示气体分子间碰撞影响的强度。剪切流中气溶胶微滴的运动由牛顿第二定律确定，如式（2）所示。

式中：d为流体的动力黏度；为颗粒的直径；为阻力系数。作用在气溶胶微滴上的萨夫曼升力如式（6）所示，式（6）描述了在载气中运动的雾化液滴所经历的升力。

1.2.2 微喷射共形打印喷头CFD建模

本文根据微喷射共形打印喷头装置（见图2a），使用AutoCAD建立了CFD模型（见图2b），创建了由载气进气口、鞘气进气口、喷印仓、毛细喷嘴和独立固定曲面基底所组成的流体域的二维模型，并定义了以下5种边界：载气速度入口（Inlet-M）、鞘气速度入口（Inlet-L、Inlet-R）、固定壁（Wall）、压力出口（Outlet）、曲面基底固定壁（Wall-S）。

1.3 数据分析与表征处理

在打印过程中，打印油墨经雾化成液滴后，通过气管输送到微喷印仓内，并由鞘气包裹，以达到自清洁、压缩射流的作用。雾化液滴穿过喷嘴到达毛细喷嘴出口处，并沉积到曲面基底上。本文的重点是对微喷射曲面共形打印过程中的影响因素进行研究，以微喷射打印喷嘴内部气溶胶流束为主要研究对象，采用仿真分析与实验验证的方法进行研究。在仿真分析的数据处理时，气体流量的特征点主要在鞘气与载气聚焦处以及喷嘴出口处，因此在仿真结果的处理中需要重点关注这2个位置。工作距离的改变主要体现在喷嘴出口与曲面基底之间颗粒轨迹的变化，因此仿真研究应重点关注出口与基底间的颗粒轨迹。喷嘴直径的改变会影响气溶胶流束进入毛细喷嘴的流量以及喷嘴口喷射出的流量，因此，对喷嘴直径的仿真研究应重点关注毛细喷嘴的入口处以及微喷射打印喷嘴的出口处。

本文选取仿真所得喷嘴口处气溶胶流束的直径为模拟最小特征线宽（SLW），如图3a所示。采用Binder等[26]提出的评价标准B确定最小特征线宽，将超过颗粒最大堆积密度50%的颗粒区域视为实际最小特征线宽（ALW）判定标准，并忽略边缘卫星液滴对最小特征线宽测量的影响。

图2 微喷射共形打印喷头与CFD模型

图3 SLW（a）与ALW（b）判定标准

2 结果与分析

2.1 气体流量

在微喷射共形打印中，气体流量是一个重要的工艺参数，它直接影响到喷射打印过程中的颗粒轨迹，从而影响了打印质量。当气体流量较小时，气溶胶颗粒喷出后会受周围气流的干扰，造成颗粒不均匀分散、漂移速度慢，甚至方向偏差等问题；反之，当气体流量过大时，则可能会造成颗粒过度分散，进而影响其沉积位置，造成偏移。因此，合理选择气体流量可以改善气溶胶颗粒的分散度和漂移速度，从而提高微喷射打印的成功率和准确率。为了方便分析，本文定义聚焦比R为鞘气流量与载气流量的比值。

保持载气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm不变，改变鞘气流量s分别为50、100、200、300、400、500、600 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5、6，进行仿真分析，仿真结果如图4所示。可知，随着鞘气流量的增大，气喷印腔内鞘气的压缩逐渐增强，气溶胶射流逐渐变细。当鞘气流量为50 mL/min时，由于鞘气流量过小，导致在气喷印仓气流汇聚处鞘气的压缩效果不明显，雾化液滴有小部分会随着载气流入鞘气进气口内，同时鞘气并未起到明显的聚焦、准直作用，喷嘴口处喷出的气溶胶流束直径过宽（见图4a）。随着鞘气流量的逐渐增大，鞘气的聚焦作用逐渐增大，气溶胶流束的直径逐渐减小。当鞘气流量增大到600 mL/min时，由于鞘气流量过大，载气所运输的雾化液滴无法输送到喷嘴腔内，导致气溶胶射流无法喷出，曲面基底上出现无射流沉积现象，如图5所示。

图4 不同鞘气流量下的喷印头内部仿真图

保持鞘气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm不变，改变载气流量c分别为200、100、50、33.3、25、20 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，进行仿真分析，仿真结果如图6所示。可知，在保持鞘气流量不变的情况下，随着载气流量的逐渐减小，气溶胶流束的直径逐渐减小。这主要与以下2个方面有关：随着载气流量的逐步减小，气喷印仓内鞘气起到的聚焦准直作用逐渐增强，对气溶胶流束的压缩作用逐步增强，该现象的形成与鞘气流量增大的原理相似；由于载气流量逐渐减小，载气所运输的雾化液滴的质量呈递减趋势，气溶胶流束中雾化液滴的质量分数减小，相应气溶胶流束的直径减小。

选取载气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm，改变鞘气流量s分别为50、100、200、300、400、500 mL/min，使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，通过仿真实验进行实验验证，得到不同鞘气流量对最小特征线宽的影响。选取鞘气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm，改变载气流量c分别为200、100、50、33.3、25、20 mL/min，同样使聚焦比R=0.5、1、2、3、4、5，进行实验验证，得到不同载气流量对最小特征线宽的影响。仿真数据与实验结果如图7所示。由图7a可知，当载气流量为100 mL/min时，随着鞘气流量的增大，气体流量聚焦比逐渐增大，SLW与ALW随聚焦比的增大都呈减小的趋势，并且最小特征线宽的模拟值低于实验所得最小特征线宽，这是因为在从喷嘴到曲面基底以及沉积到曲面基底的过程中，由于不可避免的物理散射和扩散现象，气溶胶流束的直径逐渐增大，从而使最小特征线宽的模拟值低于实验所得实际值。同理，由图7b可知，当鞘气流量为100 mL/min时，随着载气流量的增大，气体流量聚焦比逐渐减小，沉积到曲面基底上的最小特征线宽呈增大的趋势。综合最小特征线宽随气体流量的变化结果可知，SLW与ALW呈相同的变化趋势，且SLW始终低于ALW。

固定载气流量、不同聚焦比条件下的线条形貌如图8所示。可知，当聚焦比R=0.5时，由于鞘气流量数值过小，对气溶胶流束的聚焦压缩、准直作用不明显，导致沉积在曲面基底上的打印线条最小特征线宽过大，并且伴随有严重的边缘铺展现象。在保持载气流量不变的情况下，随着鞘气流量的逐渐增大，鞘气的压缩准直作用逐渐明显，气溶胶流束在沉积到曲面基底时向打印线条的中间聚拢，最小特征线宽显著减小，边缘铺展现象得到抑制。但是当鞘气流量大于400 mL/min时，由于鞘气流量过大，喷嘴口处的流速过大，导致沉积到曲面基底上的气溶胶液滴减少，并且会伴随产生严重的卫星液滴与沉积空洞现象。

固定鞘气流量、不同聚焦比条件下的线条形貌如图9所示。可知，当R为0.5～1时，沉积线条的最小特征线宽过大且出现严重的过喷现象，这表明在过高的载气流量条件下，喷射出的雾化液滴过多，沉积到曲面基底上的射流发生扩散，从而影响了打印线条的质量。当R增大到4时，载气流量逐渐减小到25 mL/min，由于载气流量降低，鞘气的作用逐渐明显，沉积线条的特征线宽明显减小并呈现出更细致和清晰的形貌。继续降低载气流量至20 mL/min，可观察到打印线条的特征线宽仍呈明显递减的趋势，然而，由于载气流量过小，沉积到曲面基底上的雾化液滴过少，沉积线条出现了严重的沉积空洞以及卫星液滴。

图5 鞘气流量为600 mL/min时的仿真图

图6 不同载气流量下的喷印头内部仿真图

图7 最小特征线宽随气体流量变化曲线

图8 固定载气流量、不同聚焦比下的线条形貌

图9 固定鞘气流量、不同聚焦比下的线条形貌

2.2 工作距离

保持载气流量为100 mL/min、鞘气流量为400 mL/min、喷嘴直径为500 μm不变，改变工作距离分别为1、2、3、4、5 mm，进行仿真分析及实验验证，仿真与实验结果如图10所示。可知，当工作距离为1～2 mm时，由于喷嘴与曲面基底间的距离过小，在离开喷嘴后鞘气不能及时起到良好的准直、压缩作用，并且由于喷出液滴的初速度过大，沉积到基底上的气溶胶流束的速度过大，液滴发生飞溅，出现了卫星液滴。随着工作距离的逐渐增大，鞘气有足够的空间发挥作用，卫星液滴得到抑制，当工作距离增大到5 mm时，喷嘴与曲面基底之间的距离过大，鞘气随着距离的增大而逐渐减弱，气溶胶流束出现不可避免的物理散射现象，沉积到曲面基底上的打印线条伴随出现边缘铺展的过喷现象。

选取仿真结果中沉积到基底位置的颗粒轨迹宽度为模拟最小特征线宽（SLW），统计SLW与实际打印线宽ALW，如图11所示。可知，最小特征线宽数值整体呈增大的趋势，SLW与ALW呈相同的变化趋势，并且仿真的最小特征线宽预测值要低于实验所得数值。这是由于所取预测值为颗粒接触到曲面基底时的轨迹宽度，而实际实验中沉积到曲面基底的颗粒会不可避免地随着运输气体发生流动扩散以及弹射。当工作距离小于2 mm时，由于喷嘴与曲面基底间的距离过小，鞘气没有足够的空间进行约束，气溶胶流束的宽度未得到充分压缩，并且，喷嘴口处的初速度过大，喷射出的液滴在基底上发生飞溅，导致沉积到曲面基底上的线宽数值略高。当工作距离增大到2～ 3 mm时，鞘气的约束作用逐渐显现出来，打印线条的宽度出现短暂减小的趋势。当工作距离大于3 mm时，由于工作距离过大，鞘气的约束作用逐渐减弱，喷射出的气溶胶液滴在曲面基底上得到过分扩散，从而形成较宽的打印线条，沉积到基底上的最小特征线宽数值明显增大。

图10 不同工作距离下的喷印头内部仿真图与线条形貌

图11 最小特征线宽随工作距离的变化曲线

2.3 喷嘴直径

保持载气流量为100 mL/min、鞘气流量为400 mL/min、工作距离为3 mm不变，改变喷嘴直径分别为100、300、400、500、600、800 μm，进行仿真分析，颗粒轨迹与速度仿真结果如图12所示。可知，当喷嘴直径为100 μm时，由于喷嘴直径过小，随载气进入毛细喷嘴内部的气溶胶液滴过少，喷射出喷嘴的气溶胶流束直径过小。随着喷嘴直径的增大，进入毛细喷嘴的气溶胶液滴逐渐增多，相应喷嘴口处射出的气溶胶流束直径增大。

选取鞘气流量为400 mL/min、载气流量为100 mL/min、工作距离为3 mm，改变喷嘴直径分别为300、500、800 μm进行实验，仿真与实验结果如图13所示。可知，随喷嘴直径的增大，最小特征线宽逐渐增大，SLW与ALW的变化趋势相同，且SLW仍始终低于ALW。不同喷嘴直径下的线条形貌如图14所示。进一步分析可知，当喷嘴直径为300 μm时，喷嘴出口直径过小，出口处压力过大，导致喷出的气溶胶流束速度较快，载气运输的雾化液滴较少，从而沉积到曲面基底上时发生液滴飞溅，从而出现卫星液滴与沉积空洞的现象。随着喷嘴直径的增大，喷嘴口处的压力逐渐减小，气溶胶流束速度逐渐减弱，并且喷射出的雾化液滴变多，气溶胶流束的横截面积变大，导致沉积在曲面基底上的最小特征线宽数值变大，当直径增大到800 μm时，伴随有边缘铺展的过喷现象出现。

图12 不同喷嘴直径下喷印头内部仿真图

图13 最小特征线宽随喷嘴直径的变化曲线

2.4 曲面基底下导电线路的打印

根据上述仿真与实验分析的结果，选取鞘气流量为400 mL/min、载气流量为100 mL/min、喷嘴直径为500 μm、工作距离为3 mm，以纳米银颗粒墨水为打印材料，以半球基底与3D打印的鞋垫为打印基底，打印导电线路，以实现电子线路在复杂曲面基底下的共形打印。曲面基底下的电子线路如图15所示。可以看到，打印线条的精度与质量远高于使用传统喷墨打印技术所得到的打印线条的。柔性电子器件的制作通常需要将某一复杂的微导电图案打印在柔性基底上，并在封装完成后将其应用在不规则曲面上。由上述实验结果可得，AMJP技术能够在复杂曲面基底下实现直接的共形打印。这项技术极大地简化了制作流程，并解决了柔性基底和复杂曲面表面可能产生的不兼容问题。因此，AMJP技术非常适用于不规则曲面上柔性电子器件的制作。

图14 不同喷嘴直径下的线条形貌

图15 曲面基底下的电子线路

3 结论

通过仿真分析与实验验证的方式，研究了曲面基底下微喷射曲面共形打印的影响因素对打印线条最小特征线宽以及线条形貌的影响规律，主要结论如下：

1）在气溶胶微喷射曲面共形打印过程中，载气流量、鞘气流量、工作距离以及喷嘴直径等因素都对打印线条的最小特征线宽有显著影响。最小特征线宽随鞘气流量的增大呈逐渐减小的趋势，随载气流量、工作距离以及喷嘴直径的增大呈逐渐增大的趋势。

2）通过基于离散相模型的仿真分析，预测并优化了工艺参数对微喷射曲面共形打印结果的影响，为实验提供了理论指导。同时，通过实验研究获取了实际的打印数据，验证了仿真预测结果的准确性。

3）通过单因素实验研究，确定当载气流量为100 mL/min、鞘气流量为400 mL/min、工作距离为3 mm、喷嘴直径为500 μm时，打印线条的最小特征线宽可达43 μm并且线条无明显的卫星液滴和沉积扩散等缺陷。

[1] SECOR E B. Principles of Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2018, 3(3): 035002.

[2] WILKINSON N J, SMITH M A A, KAY R W, et al. A Review of Aerosol Jet Printing-A Non-Traditional Hybrid Process for Micro-Manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 105(11): 4599-4619.

[3] ALHENDI M, SIVASUBRAMONY R S, WEERAW­AR­NE D L, et al. Assessing Current-Carrying Capacity of Aerosol Jet Printed Conductors[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(11): 202000520.

[4] VLNIESKA V, GILSHTEIN E, KUNKA D, et al. Aerosol Jet Printing of 3D Pillar Arrays from Photopolymer Ink[J]. Polymers, 2022, 14(16): 3411.

[5] KRZEMINSKI J, KANTHAMNENI A, WAGNER D, et al. Microscale Hybrid Flexible Circuit Printed with Aerosol Jet Technique[J]. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2018, 17(5): 979-984.

[6] JABARI E, TOYSERKANI E. Aerosol-Jet Printing of Highly Flexible and Conductive Graphene/Silver Patterns[J]. Materials Letters, 2016, 174(1): 40-43.

[7] HUNG K Y, CHANG Y T, CHIEN C H, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Process on FR-4 Substrate[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3/4): 1-10.

[8] HINES D R, GU Y, MARTIN A A, et al. Considerations of Aerosol-Jet Printing for the Fabrication of Printed Hybrid Electronic Circuits[J]. Additive Manufacturing, 2021, 47: 102325.

[9] EBERHARDT, WOLFGANG, ZIMMERMANN, et al. Inkjet and Aerosol Jet (R) Printed Sensors on 2D and 3D Substrates[J]. Technisches Messen: Sensoren, Gerate, Systeme, 2016, 83(3): 139-146.

[10] HUNG Kuan-yi, CHANG Yi-tse, CHIEN Chih-hsuan, et al. Investigation of Ink Modification for Aerosol Jet Printing Processon FR-4 Substrate[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3a4): 1147-1156.

[11] 朱涛, 张远明, 宋时雨, 等. 气溶胶微喷射打印柔性电路成形工艺研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(6): 183-192.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Forming Process of Flexible Circuit Based on Aerosol Micro-jet Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(6): 183-192.

[12] 雷涛, 刘秀利, 魏恺文. 基于3D打印的曲面共形天线液冷板设计与制造技术[J]. 机械设计与制造工程, 2022, 51(1): 42-47.

LEI Tao, LIU Xiu-li, WEI Kai-wen. Design and Manufacturing Technology of Liquid Cooling Plate for Curved Conformal Antenna Based on 3D Printing[J]. Mechanical Design and Manufacturing Engineering, 2022, 51(1): 42-47.

[13] YUCHAO Z, LINGKE Y, DEZHI W, et al. A High- Sensi­tivity Graphene Ammonia Sensor via Aerosol Jet Printing[J]. Sensors and Actuators: A Physical, 2021, 318: 112434.

[14] TAFOYA R R, SECOR E B. Understanding Effects of Printhead Geometry in Aerosol Jet Printing[J]. Flexible and Printed Electronics, 2020, 5(3): 035004.

[15] 张鑫明, 郭拉凤, 张远明, 等. 气溶胶喷墨打印工艺参数对图案精度的影响[J]. 微纳电子技术, 2018, 55(9): 688-693.

ZHANG Xin-ming, GUO La-feng, ZHANG Yuan-ming, et al. Influences of Aerosol Inkjet Printing Process Parameters on the Pattern Accuracy[J]. Micro Nano Electronic Technology, 2018, 55(9): 688-693.

[16] SALARY R, LOMBARDI J, WEERAWARNE D, et al. A Computational Fluid Dynamics Investigation of Pneumatic Atomization, Aerosol Transport, and Deposition in Aerosol Jet Printing Process[J]. Journal of Micro and Nano-Manufacturing, 2021, 9(1): 4049958.

[17] CHEN G, GU Y, TSANG H, et al. The Effect of Droplet Sizes on Overspray in Aerosol-Jet Printing[J]. Advanced Engineering Materials, 2017, 20(8): 1701084.

[18] CHEN Y D, NAGARAJAN V, ROSEN D W, et al. Aerosol Jet Printing on Paper Substrate with Conductive Silver Nano Material[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 58(10): 55-66.

[19] BLUMENTHAL T, FRATELLO V, NINO G, et al. Conformal Printing of Sensors on 3D and Flexible Surfaces using Aerosol Jet Deposition[C]// San Diego: Nanosensors, Biosensors, and Info-Tech Sensors and Systems 2013, International Society for Optics and Photonics, 2013, 8691: 86910P.

[20] PAULSEN J A, RENN M, CHRISTENSON K, et al. Printing Conformal Electronics on 3D Structures with Aerosol Jet Technology[C]// Future of Instrumentation International Workshop (FIIW) Proceedings, Gatlinburg, 2012: 6378343.

[21] CHEN I M, LIU Y T, YU X W, et al. Aerosol Printing and Flash Sintering of Conformal Conductors on 3D Nonplanar Surfaces[J]. Manufacturing Letters, 2021, 31(1): 119-123.

[22] LANGFORD N, SHINA S. Using Conformal Printed Electronics for 3D Printed Antenna Systems Building Blocks[C]// 2019 Pan Pacific Microelectronics Symposium, Pan Pacific, 2019: 8696768.

[23] RAMESH S, MAHAJAN C, GERDES S, et al. Numerical and Experimental Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Additive Manufacturing, 2022, 59: 103090.

[24] 刘波, 舒霞云, 常雪峰, 等. 双层鞘气聚焦对气溶胶喷印粉末汇聚特性的影响[J]. 微纳电子技术, 2022, 59(4): 365-372.

LIU Bo, SHU Xia-yun, CHANG Xue-feng, et al. Design and Experimental Study of Nanoparticle Aerosol Spray Printing System[J]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2022, 59(4): 365-372..

[25] 吴常健. 气溶胶喷射打印系统设计及实验研究[D]. 厦门: 厦门理工学院, 2020: 44-56.

WU Chang-jian. Design and Experimental Study of Aerosol Jet Printing System[D]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2020: 44-56.

[26] BINDER, SEBASTIAN, RAEDLEIN, et al. Analytical Investigation of Aerosol Jet Printing[J]. Aerosol Science and Technology: The Journal of the American Association for Aerosol Research, 2014, 48(9): 924-929.

Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing

ZHU Taoa, ZHANG Yuan-mingb*, SONG Shi-yub, WANG Zi-wena, HOU Zong-xiang

(a. College of Automation and Electrical Engineering, b. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276000, China; Computing and meta faculty, Universiti Pendidikan Sultan Idris, Tanjung Malim Perak 35900, Malaysia)

The work aims to explore the affecting factors in the aerosol micro-jet conformal printing process of curved surfaces, and study the impact rules of these factors on the minimum characteristic line width and morphology of the printed lines. For the affecting factors of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces, a research model based on numerical simulation and experimental verification was established. Based on computational fluid dynamics numerical simulation, the motion process of the aerosol jet inside the printing nozzle during the micro-jet conformal printing process of curved surfaces was simulated. The method of controlling variables was adopted to study the impact rules of gas flow, working distance and nozzle size on the printing process and printed lines, and single-factor experiments were designed for verification on this basis. The minimum characteristic line width showed a decreasing trend with the increase of the sheath gas flow and an increasing trend with the increase of the carrier gas flow, working distance and nozzle diameter. When the carrier gas flow was 100 mL/min, the sheath gas flow was 400 mL/min, the working distance was 3 mm, and the nozzle diameter was 500 μm, the minimum characteristic line width of the printed lines could reach 43 μm, and no obvious satellite droplets, cavity deposition and particle overspray defects were observed. Factors such as carrier gas flow, sheath gas flow, working distance and nozzle diameter significantly affect the minimum characteristic line width and micro-morphology of flexible circuits by aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces. The experimental results have the same changing rules as the simulation data, which verifies the feasibility of simulation of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces and lays the foundation for the study of aerosol micro-jet conformal printing of curved surfaces.

aerosol micro-jet; curved surface conformal printing; computational fluid dynamics; simulation analysis; experimental verification

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.022

TH161；TH165

A

1674-6457(2023)11-0187-12

2023-06-26

2023-06-26

山东省自然科学基金（ZR2021ME109）；山东省创新能力提升工程（2022TSGC1340）

The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME109); Shandong Province Innovation Capacity Improvement Project Funding Project(2022TSGC1340)

朱涛, 张远明, 宋时雨, 等. 气溶胶微喷射曲面共形打印影响因素的仿真分析与实验研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 187-198.

ZHU Tao, ZHANG Yuan-ming, SONG Shi-yu, et al. Simulation Analysis and Experimental Research on the Affecting Factors of Aerosol Micro-jet Curved Surface Conformal Printing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 187-198.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨