电液耦合喷印阵列式喷头射流沉积精度多领域耦合影响机理及优化方法研究

Based on the EHD (Electrohydrodynamic) printing equipment deposition positioning requirements for flexible electronics products, special protective equipment, and micro/nano Biological devices production, using dynamics theory and fractal geometry theory, we study force impact mechanism of jets in the multi-nozzle non-movement state, and then clarify the array nozzles morphology parameters impact mechanism for each nozzle jet force homogenization in some particular cases. Finally, a scientific descriptive model and the array nozzle design optimization method will be established. On the other hand, with multi-nozzle EHD printing experimental platform, related factors impact mechanism for jet deposition accuracy are analyzed in the state of the multi-nozzle movement work, such as voltage, current, magnetic field, temperature, humidity, vibration, solution properties and so on. By the simulation model analysis, experimental testing, Wavelet basis collocation point method and dynamics theory derivation, the scientific process description and prediction model will be built, then the key factors impacting the deposition accuracy are sorted out. Though dynamic matching weight function and wavelet bases spectral analysis method, the model are simplified to achieve a practical control optimization method for high-precision deposition control in work.

基于柔性电子产品、专用防护用具以及微纳生物器件规模生产中对于EHD（Electrohydrodynamic）喷印设备沉积定位的要求，利用动力学理论与分形几何学理论，研究阵列喷口非运动时，每个喷口射流的受力影响机制，进而明确阵列形貌参数在特定情况下（如纺丝电参数不变），对于每个喷口射流受力均一化影响的机理，形成阵列喷头这一关键部件的设计优化方法，从而实现新型最优化阵列喷口制造；利用阵列EHD喷印实验平台，研究动态生产过程中诸如电压、电流、磁场、温度、湿度、振动、溶液性质等多领域因素对于阵列EHD喷印射流的沉积精度影响机理，通过仿真模型分析和实验测试建模，使用如小波基配点法等方法，基于动力学理论推导，建立全面的多领域喷印过程描述与预测模型，从而理清影响沉积精度的关键因素，利用小波基谱方法等简化模型，形成实用的控制优化方法，实现阵列射流的高精度定位沉积控制。

本课题针对多喷头近场电纺多因素耦合作用下的沉积特性与多场复合控制策略进行了深入研究。分析了双喷头、线性阵列喷头、面阵列喷头的电场耦合影响规律，提出了正多边形排布的喷头优化排布方式。运用单因素试验、正交试验、响应面试验等科学实验方法进行了大量实验，对双喷头近场电纺的纤维沉积间距多参数交互影响规律进行了研究；通过理论分析对双喷头近场电纺的纤维沉积间距规律做出了进一步细致的研究，得出了符合实验规律的较科学的理论模型，总结了相应的规律，并进行了对阵列喷头模型的推广；. 同时，本项目通过引入交流-直流耦合场，创新地提出了一种通过可控外场约束实现不稳定低刚度射流规律可控喷射，实现了亚微米尺度的正弦状、锯齿状等蜿蜒规则图案喷印，并通过高速摄像观察、理论模型推导等研究方法，阐明了射流在交流-直流耦合电场受迫振动下的可控鞭动行为规律与控制方法，此创新工艺在柔性可拉伸电子器件、生物组织工程支架制造等领域有潜在应用价值。