在《华尔街日报》最近发表的一篇文章加法制造,研究人员讨论了micro-direct墨水写复杂的墨水流动机制以及它们是如何影响流量控制。
研究:复杂的墨水流动机制Micro-Direct-Ink-Writing及其影响流量控制。图片来源:帧资料片/ Shutterstock.com
背景
Direct-ink-writing (DIW)是一个加法制造技术以其易用性,多功能性和负担能力。由于这些品质,它已成为一个基本技术等尖端技术的生物打印和打印的电子产品。然而,DIW患有打印分辨率相对较低,由于其尺寸精度差。
虽然已经证明这些问题变得更糟,因为规模的萎缩,其他尺度依赖的,需要进一步的研究。现有的先进的打印头实现经常用于DIW,除了麻烦墨水行为,不够健壮的处理的不可控性水平体积流率与挤压这些油墨。
深入了解油墨流变学和毛细管流机制需要计算正确的输入压力与所需的体积流率有关。最近,各种举措进行了闭环体积流率控制技术开发基于这些传统印刷方案。如何将这些复杂的油墨的基本知识在micro-extrusion缺乏反应。
缺乏这方面的知识的揭示了更复杂的印刷系统的开发潜力以及必须满足特定的条件,为他们能够管理的困难direct-ink-writing复杂的油墨在微观层次上。可以创建一个可行的打印系统之前,油墨流变学和毛细管流动力学必须更好的理解。
关于这项研究
在这项研究中,作者讨论了印刷解决方案来提高流量精度在微尺度direct-ink-writing缓解这个约束,阐明复杂的墨水流动力学,使流量控制的挑战。水性的压力流量关系羧甲基纤维素钠(NaCMC)解决方案得到了墨水打印喷嘴直径的函数的范围从510年到100年使用DIWμm系统,采用混合压力和velocity-controlled挤压。这些测试表明,活塞velocity-controlled挤压与喷嘴直径减少的瞬态响应显著放缓。
团队推断,压力控制挤压墙滑增加喷嘴尺寸减少,低于一定的直径,滑移速度恒定的假设是不再有效。温控平行板流变仪是应用于油墨了解这种行为对流量精度的影响,创建和油墨流变模型。
证明,特别是对于规模较小的喷嘴尺寸,相应的流量计算不准确,因为wall-slip考虑不考虑。为micro-DIW解决精度问题,迭代压控DIW的解决方案是调查。
研究人员表明,该策略显著优于传统的压力控制方法和速度控制方法为喷嘴直径小至100μm瞬态响应和流量精度。在micro-extrusion墨水的尺度依赖的非牛顿行为,限制最先进的印刷技术,解释道。建设一个闭环的方法来获取流量控制,处理相关问题micro-DIW过程探讨了作为最后的初步努力引导的结果。
观察
最后32和21 ga喷嘴的剪切应力迭代压力控制实验是1228和1365 Pa,分别。在输入目标流量,流量波动约±1 e-12 m3/ s。手动计算平均值,输入流量是观看20到60秒21 ga喷嘴和100 - 200秒32 ga喷嘴。压力从10增加到70%向预测稳态压力恒定的情况下活塞速度的0.0005 mm / s所有喷嘴大小在4分钟。当所有喷嘴尺寸0.5 mm / s的出口速度,最大的喷嘴表现出最大的压力增加。
较小的喷嘴增加DIW的复杂性和难度来管理墨水流量。较小的喷嘴表现出明显的瞬态响应慢,尤其是对流量的velocity-controlled技术直接监管。当小喷嘴被包括在压力控制技术,间接控制了流量压力,流量速压力相关性明显更具挑战性的预测。
此外,由于复杂的墨水产生压缩过程和动力学,油墨的流动的瞬态行为在任何方法实质上都是更复杂的小喷嘴。这些发现证明了尺度的重要性DIW过程和显示,对较低的结束
研究结果表明提出的方法提高了瞬态性能和准确性对于较小的喷嘴角度。这个增益达到以最少的压力控制器或迭代算法的优化。这表明的基本策略包括输入压力和流量的闭环方法成功获取高精度micro-DIW期间流。这墨水是典型的一般组成和特性的聚合物bioinks, DIW经常使用的应用程序。许多附加功能的油墨有更多复杂的流变特性和使用微型和纳米固体填料。结果,当各种油墨,人会预料到更加复杂的大小依赖的行为。
结论
在结论,本研究提出了一个广泛的分析流动yield-pseudoplastic DIW过程中油墨不同喷嘴尺寸。重要的元素包括在墨水挤压墙滑,压缩被认为是与温度有关的油墨流变学和墨水。独特DIW打印头实现允许墨水流量和压力的同时监测。最后的印刷尺寸及其精度影响的演变的形状沉积墨水灯丝在油墨流变学的影响,ink-surface ink-nozzle互动,干燥或thermal-based收缩的影响。
作者强调,虽然流量精度是总DIW的基础过程的准确性,它并不是唯一的因素影响。他们提到,更复杂的控制器的设计可以进一步增强瞬态响应,允许迭代之间的流量更快地解决。
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引用
埃斯特尔,k . T。、Gozen b。、复杂的墨水流动机制Micro-Direct-Ink-Writing及其影响流量控制。加法制造,103183 (2022)。https://www.欧洲杯线上买球sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422005723。
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