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作者

李印，張廣明，張金潤，宋道森，郭晨旭，周偉，付志國，朱曉陽，王飛，段永青，董景彥，蘭紅波

機構(gòu)

青島理工大學(xué)，華中科技大學(xué)，北卡羅萊納州立大學(xué)

Citation

Li Y, Zhang G M, Zhang J R, Song D S, Guo C X, Zhou W, Fu Z G, Zhu X Y, Wang F, Duan Y Q, Dong J Y, Lan H B. 2025. Advanced multi-nozzle electrohydrodynamic printing: mechanism, processing, and diverse applications at micro/nano-scale. Int. J. Extrem. Manuf.7012008.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8d22

撰稿 | 文章作者

1. 文章導(dǎo)讀

電動流體動力噴射(EHD)打印，簡稱電噴印，是一種先進的微納增材制造工藝，它利用噴嘴與基底之間高電壓電場來制造微納結(jié)構(gòu)，特別是在柔性基材以及大高寬比微納結(jié)構(gòu)的制造方面具有獨特的優(yōu)勢。然而，由于傳統(tǒng)單噴頭電噴印較低的打印效率已成為制約其從實驗室走向廣泛工業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。多噴頭電噴印為解決該問題提供了可能，該技術(shù)不僅實現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)的制造，還能成倍提高生產(chǎn)效率。盡管如此，多噴頭電噴印仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，例如多噴頭下的電場串?dāng)_效應(yīng)、高精度的多噴頭制造以及噴頭的獨立控制等問題。

近期，青島理工大學(xué)蘭紅波教授和張廣明教授，聯(lián)合華中科技大學(xué)的段永青副教授和北卡羅萊納州立大學(xué)的董景彥教授在《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM》期刊上合作發(fā)表了題為《Advanced multi-nozzle electrohydrodynamic printing: mechanism, processing, and diverse applications at micro/nano-scale》的文章，綜述了多噴頭電噴印的最新進展，總結(jié)了多噴頭下的射流運動和電場串?dāng)_效應(yīng)，并討論了幾種廣泛使用的抑制方法。該文章還總結(jié)了各種參數(shù)對多噴頭電噴印的影響和主流的多噴頭的制造過程及其獨立控制方法，對微納增材制造領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞

電流體動力噴射打印，電場串?dāng)_，多噴頭，噴頭陣列

亮 點

• 解釋多噴頭電噴印的電場串?dāng)_效應(yīng)；

• 總結(jié)和對比降低電場串?dāng)_效應(yīng)的方法；

• 概述現(xiàn)有的多噴頭制造工藝；

• 介紹多噴頭獨立控制的各種方法；

• 總結(jié)發(fā)展方向并展望發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1多噴頭電噴印的打印機理、串?dāng)_抑制、裝置和應(yīng)用。

2. 研究內(nèi)容

多噴頭電噴印的工作原理如圖2所示，主要包括墨水供應(yīng)單元、直流電源、多噴頭、收集器和三軸移動平臺。在該系統(tǒng)中，墨水在噴嘴中持續(xù)流動，而電源則產(chǎn)生電場，使墨水能夠噴出并在基材上沉積形成所需圖案。多噴頭設(shè)計為溶液提供了更多的沉積通道，每個噴頭可連接專用的溶液池，實現(xiàn)多材料、高通量沉積。

在多噴頭打印過程中，噴嘴尖端的電荷分布和射流形態(tài)會因噴嘴數(shù)量的差異而有所不同。當(dāng)多個噴頭排列成陣列結(jié)構(gòu)時，正電荷之間會相互排斥，導(dǎo)致噴頭末端的電場強度分布不均勻。這種不均勻性會引起射流的偏移，從而降低打印的一致性，產(chǎn)生多噴頭電場串?dāng)_現(xiàn)象。

圖2多噴嘴電場串?dāng)_現(xiàn)象的形成機理。(a) 多噴頭電噴印的打印系統(tǒng)。(b) 單-雙-三噴嘴電噴印，其噴嘴尖端和基底的電荷分布。(c) 多噴頭電噴印打印過程中射流受力分析圖。(d) 噴頭旋轉(zhuǎn)裝置，用于調(diào)整多噴頭打印線距線距。

電場串?dāng)_現(xiàn)象主要由三個因素引起：射流表面電荷之間的相互作用、發(fā)散電場線的形狀以及電場力對射流的作用。因此，通過設(shè)計合適的電場分布和強度，可以有效減小串?dāng)_現(xiàn)象的影響。當(dāng)前主流的解決方案如圖3所示，具體包括添加針形輔助電極、環(huán)形輔助電極、柱形輔助電極、調(diào)整噴頭的布局、調(diào)整噴頭材料，調(diào)整噴頭形狀、反接電極和輔助鞘氣。

圖3抑制多噴頭電噴印電場串?dāng)_現(xiàn)象的方法分類。包括添加輔助電極，調(diào)整噴頭結(jié)構(gòu)和其他方法。其中輔助電極包括針型輔助電極、環(huán)形輔助電極和柱形輔助電極；調(diào)整噴頭結(jié)構(gòu)包括噴頭的布局、材料和形狀；其他方法包括輔助鞘氣和反接電極。

多噴頭電噴印打印頭是確保打印一致性的關(guān)鍵設(shè)備，其材料、結(jié)構(gòu)、密度以及噴嘴的一致性都對打印結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。如圖4所示，展示了多種微加工工藝用于制造電噴印的多噴頭打印頭，這些工藝包括深反應(yīng)離子刻蝕、快速激光微加工、濕法刻蝕、CNC精細(xì)加工、立體光刻以及玻璃噴砂工藝等。

圖4多噴頭的制造方法。(a) 基于硅晶片的多噴頭芯片；(b) 玻璃毛細(xì)管多噴頭；(c) 快速激光微加工多噴頭；(d) 濕法蝕刻多噴頭；(e) CNC 精加工多噴頭；(f) 立體光固化成型技術(shù)的多噴頭；(g) 玻璃噴砂工藝多噴頭。

3. 總結(jié)與展望

多噴頭電噴印技術(shù)具備出色的分辨率、材料利用率和低成本等優(yōu)勢，為電噴印的泛工業(yè)應(yīng)用中提供了高效的解決方案。未來，該技術(shù)的發(fā)展可能會集中在以下六個方面：抑制串?dāng)_現(xiàn)象、實現(xiàn)噴頭的獨立控制、支持多材料打印、提高噴頭的可復(fù)用性、推動數(shù)字化控制和進行標(biāo)準(zhǔn)化評估。這些發(fā)展方向?qū)⒂兄诮档臀⒚准壓图{米級功能器件的制造成本，尤其是在組織工程、柔性顯示和人體傳感器等領(lǐng)域。

圖5多噴頭電噴印打印的總結(jié)和展望。

4. 作者與團隊簡介

蘭紅波

青島理工大學(xué)

蘭紅波（通訊作者）。二級教授，博士，博士生導(dǎo)師，山東省增材制造工程技術(shù)研究中心主任，山東省高等學(xué)校增材制造（3D打印）技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室主任，青島市3D打印工程研究中心主任。國家有突出貢獻中青年專家，入選國家百千萬人才工程，國務(wù)院政府特殊津貼專家，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，山東省泰山學(xué)者特聘專家，山東省有突出貢獻的中青年專家，青島市首批創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，山東省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師。中國機械工程學(xué)會增材制造（3D打印）技術(shù)分會常務(wù)委員，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）增材制造(ISO/TC261)標(biāo)委會委員，全國增材制造標(biāo)委會（SAC/TC562）委員，中國機械工程學(xué)會極端制造分會委員，國家知識產(chǎn)權(quán)局中國專利審查技術(shù)專家。先后主持國家自然科學(xué)基金納米制造的基礎(chǔ)研究重大研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等18項縱向課題。以第一作者或通訊作者在國際頂尖期刊和權(quán)威期刊《Advanced Materials》《Nano-Micro Letters》《Advanced Science》《Small》等，國內(nèi)頂尖期刊科學(xué)通報、中國科學(xué)、機械工程學(xué)報、復(fù)合材料學(xué)報發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文72篇（Q1和T1），SCI/EI收錄論文190篇。以第一作者出版英文學(xué)術(shù)專著1部，參編英文學(xué)術(shù)著作4部（Book Chapter）。以第一發(fā)明人授權(quán)美國發(fā)明專利5項，德國發(fā)明專利1項，日本發(fā)明專利1項，中國發(fā)明專利58項。以第一完成人獲得軟件著作權(quán)6項。主持和參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)10項。以第一完成人獲第日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎、山東省技術(shù)發(fā)明二等獎、山東省高等學(xué)校優(yōu)秀科研成果一等獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎等獎項6項。

張廣明

青島理工大學(xué)

張廣明（通訊作者）。工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，山東省青創(chuàng)人才，青島理工大學(xué)禮賢學(xué)者，機械與汽車工程學(xué)院副院長，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校訪問學(xué)者，中國機械工程學(xué)會高級會員，目前主要從事增材制造及微納3D打印領(lǐng)域研究工作。主持國家自然科學(xué)基金(青年、面上)、山東省高等學(xué)校青創(chuàng)科技支持計劃項目等10項。公開發(fā)表SCI/EI論文40余篇，其中以第一/通訊作者在《Advanced Science》《International Journal of Extreme Manufacturing》《科學(xué)通報》（中文頂刊）等國內(nèi)外高水平期刊發(fā)表SCI論文32篇；以第一發(fā)明人授權(quán)16項，包括美國發(fā)明專利1項。擔(dān)任《Additive Manufacturing Frontier》和《機械工程學(xué)報》青年編委、中國材料研究學(xué)會增材制造材料分會委員、國際先進材料協(xié)會會士、青島市高企評審專家，獲山東省高等學(xué)校青創(chuàng)人才、國際先進材料協(xié)會(IAAM)科學(xué)家獎(Scientist Medal)、日內(nèi)瓦發(fā)明獎金獎、中國. 山東(青島)博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果獎等榮譽。

李印

青島理工大學(xué)

李印（第一作者）。青島理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助的多噴頭電場驅(qū)動微納3D打印，在《Journal of Manufacturing Processes》《Additive Manufacturing Frontiers》等期刊發(fā)表論文3篇，申請軟件著作權(quán)1項。

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2024

關(guān)于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數(shù)據(jù)庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領(lǐng)軍期刊。

期刊網(wǎng)址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關(guān)利超

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