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研究作者及机构
本研究的主要作者包括Haining Zhang、Haifeng Xu、Lin Cui、Zhenggao Pan、Pil-Ho Lee、Min-Kyo Jung和Joon-Phil Choi。研究团队分别来自苏州大学信息工程学院、新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院以及韩国机械与材料研究所3D打印部门。该研究于2024年6月28日发表在期刊《Materials》上，文章标题为《An Extensive Study of the Influence of Key Flow Variables on Printed Line Quality Outcomes During Aerosol Jet Printing Using Coupled Three-Dimensional Numerical Models》。
学术背景
本研究的主要科学领域是增材制造（Additive Manufacturing），特别是气溶胶喷射打印（Aerosol Jet Printing, AJP）技术。AJP作为一种非接触式直接书写技术，在先进制造领域展现出显著优势，能够使用多种功能性墨水，减少生产步骤、降低化学浪费和成本，被广泛应用于柔性传感器、集成电路和薄膜晶体管的制造。然而，AJP技术在材料稳定性和打印过程控制方面仍面临挑战，尤其是关键流动参数（如鞘气流速和载气流速）对打印线形貌和电气性能的影响尚未完全明确。因此，本研究旨在通过开发三维（3D）数值模型，深入探索AJP过程中的复杂空气动力学机制，为优化打印工艺提供理论支持。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 模型开发与网格生成
研究团队首先使用卡尺、数字显微镜和X射线计算机断层扫描技术测量了打印头的内外尺寸，并基于这些数据开发了简化的3D模型。随后，对模型进行网格划分，生成5,031,494个节点，重点关注打印头内粒子与流体的相互作用区域。网格数据导入ANSYS Fluent软件进行详细模拟。
2. 控制方程与离散相模型
研究假设流体为可压缩层流，采用基于密度的Navier-Stokes算法求解连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程。离散相模型（Discrete Phase Model, DPM）用于追踪粒子从喷嘴喷出后的运动轨迹，考虑拖曳力、Saffman升力和重力的影响。此外，引入Taylor类比破碎（Taylor Analogy Breakup, TAB）模型，研究粒子在高速流体中的破碎行为。
3. 实验设计与打印过程
实验采用纳米银墨水与去离子水按1:1比例混合，在20°C下进行打印。鞘气和载气均为纯氮气（99.99%），喷嘴直径为150 µm，打印速度为1 mm/s。研究团队通过单因素实验，分别测试了不同载气流速（25–45 sccm）和鞘气流速（45–65 sccm）对打印线宽度和电气性能的影响。
4. 形貌分析与电气性能测试
打印后的样品通过光学显微镜进行形貌分析，并使用Python代码对图像进行处理，计算平均线宽。电气性能通过四探针法测量打印线的电阻率，结合线宽和横截面积计算电阻值。
主要结果
1. 载气流速对打印线宽度的影响
数值模拟和实验结果均表明，随着载气流速的增加，打印线宽度显著增加。这是因为较高的载气流速降低了粒子与流体之间的相对速度，减弱了Saffman升力，导致粒子聚焦能力下降，从而形成更宽的线。实验数据显示，载气流速从25 sccm增加到45 sccm时，线宽从约50 µm增加到80 µm。
2. 鞘气流速对打印线宽度的影响
与载气流速相反，鞘气流速的增加显著减小了打印线宽度。较高的鞘气流速增强了粒子的聚焦能力，使得粒子在喷嘴出口处更加集中。实验数据显示，鞘气流速从45 sccm增加到65 sccm时，线宽从约70 µm减小到50 µm。
3. 流动参数对电气性能的影响
研究还发现，载气流速的增加不仅导致线宽增加，还降低了打印线的电阻率。这是因为较高的载气流速增加了墨水的沉积量，使得线更厚，导电性更好。相反，鞘气流速的增加虽然减小了线宽，但由于质量连续性效应，线厚度增加，电阻率也有所降低。
结论
本研究开发了一种结合计算流体动力学（CFD）和离散相模型（DPM）的3D数值模型，系统分析了AJP过程中关键流动参数对打印线形貌和电气性能的影响。研究结果表明，载气流速和鞘气流速是控制打印线宽度和电气性能的关键因素。该模型为优化AJP工艺提供了重要理论依据，有助于提高打印精度、减少浪费。然而，模型未考虑墨水蒸发和粒子尺寸变化等因素，未来研究需进一步改进模型以更准确地预测打印过程。
研究亮点
1. 创新性模型
本研究首次开发了结合CFD和DPM的3D数值模型，能够全面分析AJP过程中的空气动力学机制。
2. 系统性实验
通过单因素实验，系统研究了载气流速和鞘气流速对打印线形貌和电气性能的影响，提供了大量实验数据支持。
3. 应用价值
研究结果为优化AJP工艺提供了理论指导，有助于提高打印质量、降低生产成本，对航空航天和电子制造领域具有重要意义。
其他有价值内容
研究还探讨了粒子在喷嘴出口处的运动轨迹和破碎行为，揭示了Saffman升力在粒子聚焦中的重要作用。此外，研究团队开发了基于Python的图像处理算法，用于精确测量打印线宽度，为后续研究提供了技术支持。
以上是本研究的详细学术报告，全面介绍了研究的背景、流程、结果和意义。