CMU《Addit. Manuf.》：基于 Aerosol Jet 打印技术的工具路径策略实现弯曲和近乎尖锐段的任意三维微结构

引言

导语

气溶胶喷射（AJP）无支撑 3D 微打印在生物电极、储能、微型电子封装领域前景广阔，但弯曲、尖角微墙打印长期存在凸起溢料、内侧空洞两大致命缺陷：转角内外路径长度不一致，沉积物料分布失衡，多层堆叠后缺陷持续放大，复杂星形、异形微结构成型精度极差，极大限制器件可靠性。卡内基梅隆大学团队系统量化转角角度、圆角半径对溢料 / 空洞缺陷的影响规律，建立匹配气溶胶沉积的路径优化方法论，通过分层错位轨迹、合理倒角、分段断缝三大策略，实现星形、校徽等高复杂度微米级立体结构零缺陷成型，为高精度三维微器件标准化制造提供完整路径设计方案。

正文

一、核心研究摘要

本研究采用 Optomec AJ300 气溶胶设备，银、氧化锌两类纳米墨水开展多组转角对比实验，系统测试 15°/30°/45°/90°/135° 不同夹角、0~1mm 梯度圆角微墙形貌，结合白光干涉、SEM 表征物料堆积高度差，建立几何沉积模型并验证路径优化方案，核心研究成果如下：

揭示转角缺陷底层形成机制

弯曲路径外侧行程更长、沉积物料更多形成凸起，内侧行程短物料不足产生空洞；多层打印下缺陷逐层累积，小锐角（15°）缺陷放大效应最显著，90° 及以上大转角物料失衡影响可忽略；平台加减速对 100μm 以上结构沉积量无明显干扰。

量化各角度最低倒角标准，给出工程化参数

（1）15° 超锐角：单纯倒角无法消除缺陷，需拆分为独立单段路径；

（2）30° 夹角：圆角≥线条宽度可完全抑制溢料空洞；

（3）45° 夹角：圆角≥1/2 线宽即可实现均匀沉积；

（4）90°/135° 大转角：无需额外圆角，沉积均匀无明显高度差。

建立简化物料沉积半经验几何模型

仅依托路径长度差计算内外沉积高度偏差，预测缺陷分布；同时证实墨水自流平效应大幅削弱模型理论偏差，是气溶胶区别于挤出打印的独有优势。

三大路径优化成套解决方案

分层错位打印轨迹、转角增设匹配圆角、闭合轮廓预留微小断缝，三者结合可稳定制备星形、异形立体微墙。

多墨水通用性验证

银纳米、氧化锌陶瓷墨水采用同一路径策略均可无缺陷成型，方案适配金属、陶瓷多类气溶胶功能浆料。

二、气溶胶 3D 微结构完整制备流程

（一）打印流程

纳米墨水稀释调配：银 / 氧化锌粉体搭配环己酮 - 萜品醇复配溶剂，超声分散消除团聚；
氧化铝基底抛光清洗，70℃恒温打印工作台；
AJ300 超声雾化，鞘气 / 载气精准配比，150μm 陶瓷喷嘴，打印速度 1mm/s；
CAD 设计基础轮廓，根据夹角添加对应圆角、闭合处预留断缝，分层切换打印轨迹；
逐层堆叠微米立体微墙，每层打印后低温烘干固化；
白光干涉仪、SEM 观测转角截面高度、形貌，统计溢料 / 空洞缺陷尺寸。

（二）五大气溶胶 3D 打印核心工艺优势（对比 FDM 挤出、双光子光刻）

无支撑自由成型微米立体微墙

无需牺牲层、光刻模板，单步逐层堆叠三维导电 / 陶瓷结构，简化微器件制备工序。

微米级精细线条可控成型

稳定制备 20μm 超细微墙，适配脑电极、微型传感、微流控等高精度需求。

墨水兼容范围广

金属银、氧化物陶瓷、导电聚合物均可雾化打印，一套设备覆盖电子、生物、储能多场景。

低温温和成型，适配柔性热敏基材

全程 70℃基底温度，无高温烧结损伤 PI、硅胶等柔性载体。

数字化路径灵活可调，迭代成本低

CAD 一键修改转角圆角、分层轨迹，无需重新开模，多结构同日完成对比试制。

三、五大核心技术创新点

创新 1 转角缺陷量化基准体系

创新定量给出不同夹角对应的最小圆角阈值，形成可直接套用的气溶胶打印设计规范，填补行业路径设计空白。

创新 2 兼顾自流平效应沉积预测模型

区别挤出打印纯几何计算，纳入气溶胶墨水干燥自流平特性，大幅降低理论与实际形貌偏差。

创新 3 三位一体无缺陷路径优化范式

分层错位轨迹 + 匹配倒角 + 闭合断缝组合策略，一次性解决多层堆叠缺陷累积难题。

创新 4 多材质通用微结构制造方案

银金属、氧化锌陶瓷墨水共用一套路径优化逻辑，工艺普适性强，适配多类功能微器件研发。

创新 5 复杂异形微结构快速成型能力

成功实现八角星、不规则校徽立体微墙无缺陷打印，突破传统工艺仅能简单直线、圆弧的限制。

四、现存行业难点与对应突破方案

难点 1 气溶胶打印锐角转角内外物料分布不均，凸起、空洞缺陷严重，多层后失效

✅按夹角匹配标准圆角，15° 锐角拆分独立路径，平衡内外沉积量，消除高度差缺陷。

难点 2 闭合轮廓启停快门造成局部物料堆积，每层缺陷叠加放大

✅闭合路径预留微米级断缝，快门启停避开转角关键区域，杜绝局部溢料。

难点 3 缺乏标准化路径设计依据，研发全靠反复试错、耗材耗时

✅提供分角度圆角参数表，直接用于 CAD 建模，大幅减少样品迭代次数。

难点 4 传统几何模型高估缺陷尺寸，预测精度差

✅引入墨水干燥自流平修正项，模型预测与实测形貌高度匹配，仿真可信度提升。

难点 5 不同金属、陶瓷墨水需单独摸索路径参数

✅策略具备通用性，银、氧化锌等浆料无需重新优化轨迹设计，降低材料研发门槛。

五、未来多元产业化应用场景

高密度 3D 脑机微电极阵列

无缺陷微米立体电极，精准贴合脑组织，提升神经信号采集精度，适配侵入式脑机接口。

微型锂离子电池厚电极

规则三维多孔微墙，增大活性物质负载，提升电池面容量与充放电稳定性。

微流控生化传感芯片

高精度立体反应腔体、导电微通道，微量体液快速分离检测，POCT 便携式设备核心元件。

微型射频天线、芯片互连

低缺陷三维金属布线，小型化射频器件、半导体封装垂直互连结构。

航空微型轻量化力学超材料

可控拓扑微米点阵，精准调控吸能、刚度特性，飞行器轻量化减震构件。

高校微纳制造研发平台

标准化路径设计方法，低成本快速试制各类三维功能微结构，无需昂贵光刻产线。

图文导读

图1. 气溶胶喷射（AJ）打印工艺及缺陷示例。(a)本研究采用的AJ打印工艺示意图。超声雾化器用于将银纳米颗粒墨水雾化成气溶胶，该气溶胶被输送至沉积头，在此处通过鞘气流对材料流进行聚焦。随后微液滴被沉积在移动压板上，并通过加热使打印材料快速干燥。(b)八角星的CAD结构示意图。(c)插图显示工具路径轮廓线，即图(b)中设计的二维截面图。(d)使用图(c)所示工具路径打印出的AJ三维星形几何结构。在工具路径中采用锐角的区域均存在显著凸起及相邻空腔。

图2. AJ打印二维线条的几何结构。(a) 计划刀具路径中锐角的示意图，显示内部角落重叠、外部角落填充不足的情况。相较于直线截面，重叠区域预计会出现过度填充，而空隙区域则可能出现填充不足。(b) AJ打印二维线条实验设计的CAD图纸。在同一基板上研究了五个不同角度（15°、30°、45°、90°和135°），刀具路径内的圆角半径范围从0微米至1毫米。每种条件均进行五次重复实验。图中还添加了垂直和水平方向的辅助线，以便在光学表面轮廓仪中轻松对齐。(c) 单次加工时30°角度下打印线条的代表性定量表面轮廓数据。(d、e) 图(c)中应用0微米圆角半径情况下的局部放大图像。(f、g) 图(c)中应用30微米圆角半径情况下的局部放大图像。

图3. 单次成型打印线的体积与高度数据。(a) 示意图展示了感兴趣区域（ROI），其定义为从A点到B点的路径长度，其中A点和B点均距投影交点等距。这些区域分别及共同分析以比较体积和平均高度，并展示了数学模型中使用的变量。(b–d) 分别对应15°、30°和45°弯曲角度下，ROI区域内AJ打印线的总体积；同时展示了数据的线性拟合结果。体积随ROI长度的线性变化证明沉积速率稳定，且弯曲段的平台加减速在此研究中并非关键因素。(e–g) 分别显示15°、30°和45°弯曲角度下工具路径内侧AJ打印线占总体积的比例；偏离50%标记值表明材料在干燥过程中存在自调平现象。(h–j) 分别展示15°、30°和45°弯曲角度下ROI区域内打印线的平均高度（包含内外侧体积）；(k–m) 分别呈现15°、30°和45°弯曲角度下工具路径内外侧体积的高度差。图中所有数据点均代表五次重复实验的平均值及标准偏差，每次重复数据均为ROI内像素点的平均值（像素数量随ROI长度从数十个至数千个不等）。AJ印刷线在90°和135°弯曲处的类似结果见补充图S2。

图4. 指数衰减拟合结果与几何模型预测值的对比。(a)数学模型中使用变量的示意图。（b–d）分别对应15°、30°和45°角度下，图3k–m中的实验数据与指数衰减拟合曲线。（e–g）基于几何模型假设干燥过程中无自调平效应时，对15°、30°和45°角度下的高度差预测值。显然，模型预测的高度差比实验观测值高出一个数量级，这凸显了自调平效应的重要性。图中所有实验数据点均代表五次重复实验的平均值及标准偏差；每次重复实验的数据均为感兴趣区域（ROI）内像素值的平均值，像素数量根据ROI长度不同介于数十至数千之间。AJ打印线在90°和135°弯曲处的类似结果详见补充图2。

图5. 基于合理AJ打印刀具路径策略实现高保真三维结构。（a-c）用于打印八角星形三维模型的刀具路径示意图。请注意示意图中显示的快门开合间隙；该间隙在每种情况下均被分配至星形的不同段落（共16个段）。打印16层后反转打印方向，最终完成总计32层的独特结构。（d-f）分别采用图(a-c)所示刀具路径打印的八角星形物体的透视扫描电镜图像；对应的俯视扫描电镜图像详见补充材料图S4a-S4c。（g-i）分别展示图(a-c)中星形外侧各点的特写图像。（j-l）通过白光干涉测量法对图(g-h)图像进行轮廓扫描，以显示材料堆积情况。(m)针对R=0、R=20μm及R=30μm三种尺寸，定量测量了各角点与中心点的高度差。

图6. 使用不同刀具路径策略打印的卡内基梅隆大学吉祥物3D模型“斯科蒂狗”。(a-b) 分别展示角半径为0 μm和20 μm时“斯科蒂狗”的刀具路径示意图，部分角度值已标注。需注意：对于两种半径尺寸，每次连续打印层时，快门开启与关闭对应的标记间隙位置均调整至无刀具路径轨迹变化的位置（共计16个位置）。先打印这16层，随后在后续16层中反向操作相同间隙位置，最终形成总计32个独立打印层。(c) 采用气溶胶喷射工艺、刀具路径半径为0 μm时打印的CMU“斯科蒂狗”标志的SEM斜视图像，所有壁厚均为20 μm。(d) 采用气溶胶喷射工艺、刀具路径半径为20 μm时打印的CMU“斯科蒂狗”标志的SEM斜视图像，所有壁厚均为20 μm。(e-h) 图(c)的局部放大图。(i-l) 图(d)的局部放大图。

结语

总结

该工作系统揭示气溶胶 3D 微打印转角溢料、空洞缺陷生成机理，量化不同夹角对应的最优圆角设计标准，构建纳入自流平效应的沉积预测模型，提出分层错位、匹配倒角、闭合断缝三合一路径优化方案，实现星形、异形复杂微米立体结构零缺陷成型。整套标准化设计规则同时适配金属、陶瓷多类纳米墨水，解决长期以来气溶胶三维微结构成型精度不可控、多层缺陷累积痛点，大幅降低微器件试错成本，在脑机接口、微型储能、微流控、射频微封装等高精度三维功能器件领域具备重要工程指导价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104549