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J. Micromech. Microeng.:使用辅助电极对近场静电纺丝中的电子射流进行主动实时电场控制
2021/2/24 9:32:21 易丝帮

DOI: 10.1088/1361-6439/abd3f4

近场静电纺丝(NFES)是一种增材制造技术,它既可以用于高分辨率的3D结构,也可以用于多种印刷材料。通常,喷嘴、喷丝头和基材之间的高电场会产生微米尺寸的供应液体射流。当喷丝头和样品之间的距离为毫米时,可以合理控制沉积材料的横向布局。然而,该布局随不同静电现象而变化,这是目前将NFES发展成一种更通用的技术的挑战之一。在本文中,使用辅助转向电极操纵电场方向,实现了对NFES布局更高程度的控制。由一个连接到体视显微镜的相机实时测定聚己内酯塑料射流的位置。所测定的位置用于计算施加到转向电极上的电位,以将塑料射流引导至所需位置。使用照相机和显微镜测定射流在基材上和飞行过程中的定位精确度。在启用和未启用主动转向电极的情况下,随着分离程度的降低,通过一个模式沉积塑料纤维显示出更高的可控性。最后作者指出,随着技术的进一步完善,致密结构的制备指日可待。

 

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图1.纤维的固定喷射,以演示:(a)在玻璃基板上的高库仑排斥力,(b)在硅基板上的低库仑排斥力。


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图2.带有主要组件标签的打印装置。(a)3D模型,(b)实验中使用的装置照片。


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图3.显示喷丝头、基材、转向电极和PCL射流的打印装置示意图。用橙色绘制的是相机测量区域,装置中的重要距离以蓝色显示。


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图4.实验中使用的印刷图案。第一和第二行表示第一和第二遍打印。图案中还显示了各种特征。第二遍通过后图案中线条之间的给定距离为40-75µm。对于一半的样本,变换禁用和启用主动转向,因此从一开始就启用主动转向。


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图5.所用装置简化版本的FEM 2D模拟结果,其中转向电极为裸铜。颜色梯度表示电势,流线表示装置中电场的方向。转向电极上的外加电压为(a)0V,(b)900V,(c)1850V,喷丝头置于接地电势下,基板置于2000V下。


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图6.样品的LOM图像,其中行之间的距离设置为40µm,打印顺序从右到左。最右边的线是与图案其余部分相距250µm的参考线。示例包括(a)无主动转向和(b)启用转向的示例。用红色覆盖的部分是自定义MATLAB脚本查找PCL纤维的部分,绿色线是检测到的PCL纤维的中心,黄色线是识别双堆叠PCL纤维并将其分为两个测量值的部分,蓝色线是基于图案获得的PCL纤维的预期位置。


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图7.图6中印刷结构的二次电子SEM图像,倾斜至大约45°,其中线之间的距离设置为40µm。(a)在没有主动转向的情况下印刷图案显示双重堆叠的PCL纤维,(b)在没有主动转向的情况下印刷图案显示基材上无纤维堆叠。


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图8.单个样品40µm分离图案的典型位置数据。上排显示禁用主动转向的结果,下排显示启用主动转向的结果。左列是通过摄像机测量飞行中的PCL射流获取的,右列是使用LOM成像获取的基材上的位置,请参见图6。


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图9.记录位置的标准偏差显示启用或禁用主动转向电极之间的差异。摄像机记录的PCL射流在飞行中的位置以及由LOM成像获取的基材上的位置,在图案中分别显示不同的行间距。


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图10.打印3D结构的二次电子SEM图像,将(a)和(c)中禁用主动转向与(b)和(d)中启用主动转向进行了比较。图像倾斜至45°。在(a)和(b)中,线间距设置为75μm,在(c)和(d)中,线间距设置为50μm。(b)和(d)中的白色箭头指示从控制回路施加的控制方向。


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