近日，机电工程学院刘永红教授科研团队在液中打印技术的机理研究方面取得重要进展，相关成果《液体环境中的喷墨打印机理》（Mechanisms of inkjet printing in a liquid environment）以论文形式在流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics（JFM）发表。该研究成果是刘永红教授团队经过多年深入研究攻关而取得的，第一作者为我院博士生李德格，通讯作者为刘永红教授和张彦振教授，这是我校时隔三年再次在该期刊发表研究成果。JFM由英国剑桥大学创办，自1956年创刊以来，一直是国际公认的流体力学领域顶级期刊，在流体力学领域国际排名第一。
图1 界面演化过程中的流场分布图
喷墨打印技术自发明以来，已从最初的图案印刷拓展至精密制造、柔性电子、微化学分析、生物医药等领域，目前成为印刷电子和微流体等领域应用最广泛的技术之一。随着各领域的飞速发展，对喷墨打印技术的精度和稳定性也提出了越来越高的要求。然而传统喷墨打印技术制备的液滴接近甚至超过喷嘴尺寸，且20微米以下的喷孔极易堵塞，导致基于压力脉冲挤出式工作原理的传统喷墨打印技术至今不能有效打印直径20微米以下的液滴，极大地限制了该技术的应用。如何有效减小液滴的尺寸并拓展其应用领域，始终是喷墨打印领域的核心课题。
本文首次发现了在液体环境中受约束界面振动可以产生微细液滴的新现象，开创了利用声波驱动油水界面变形的技术，并基于此提出了世界上首个可以在液体环境中工作的喷墨打印技术，极大地拓展了喷墨打印技术的应用领域和范围。该技术与传统的喷墨打印技术相比，可制备直径小于喷嘴数十倍的液滴，利用出口直径60微米的喷头可以制备1微米甚至亚微米级别的液滴，还具备灵活调控液滴尺寸的能力。研究揭示了声波驱动受约束油水界面振动的工作机理，结合实验现象对声波在通道内的传播、反射以及叠加规律进行了理论分析，可实现通道内压力波的叠加与抑制；还得到不同形式驱动信号产生的压力波及其对界面的作用机制。
审稿专家认为，文章提出了一种新颖的利用大尺寸喷嘴制备微纳液滴的新技术，并详细地探讨了在液体环境中打印高精度液滴的界面行为以及背后的物理机制。该方法对于在液体环境中制备微纳液滴极具应用价值。作者提出的利用压力脉冲实现受约束界面的振动进而产生微米级液滴方法是一个非常有趣的流体力学课题。
图2 喷头结构及声波传递机理
首次基于脉动流理论建立了液中打印仿真模型，并获得了喷头出口处速度场和压力场的分布及演化规律，计算结果证明速度场符合脉动流理论，管道内的压力波为平面波；结合实验现象分析了界面变形过程中的受力情况，对界面张力、粘性力以及惯性力的作用进行了分析，并指出在界面的自发断裂阶段，拉普拉斯压力是最重要的驱动力。
图3 不同工况下液滴形成过程及仿真结果
在液体环境中打印微纳液滴的技术理念在2019年于荷兰召开的第四届国际微流体操控会议上得到英国牛津大学的M. P. Henry教授、荷兰瓦格宁根大学的Michel Eppink教授等人的高度评价。本文正是对上述技术理念多年来的持续研究成果。该研究工作得到国家自然科学基金、山东省泰山学者青年专家支持计划、山东省优秀青年科学基金等项目资助。
刘永红教授团队长期致力于海洋油气装备工程、先进制造技术领域的研究，包括金属增材制造技术及理论、精密高效喷墨打印技术及理论、印刷电子技术、微流体动力学、微流控技术及理论等。近年来，刘永红教授团队在国内外著名期刊Nature Communications，Physics Review X，Small以及Physics of Fluids等国际权威期刊发表了系列研究成果，对微液滴的制备和应用做了深入研究，丰富和发展了液中打印技术和相关理论，增强了在精密制造、微流体控制等领域的学术影响力。
论文链接：
https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/abs/mechanisms-of-inkjet-printing-in-a-liquid-environment/B8D6E5A5CF37AB0A57A481EFA8BB1CF5
