3D 打印技术类别：Material Jetting — 材料液滴喷射 包含：Inkjet（CIJ / DOD 热式/压电/静电）、3D Systems Multi-Jet Printing（MJP/ProJet）、Stratasys PolyJet/Objet、XJet NPJ、Optomec Aerosol Jet、Nano Dimension AME（PCB 打印）
一、中文总结
1. 基本定义
Material Jetting 通过打印头向预定义位置选择性地 喷射建造材料的液滴（光敏树脂、蜡、金属/陶瓷纳米颗粒悬浮液等），配合 UV 固化或热蒸发逐层成形。
2. 喷墨（Inkjet）基本原理
2.1 CIJ（Continuous Inkjet，连续喷墨）
- 压电晶体高频（50–175 kHz）振动将墨水持续从喷嘴射出；由 Rayleigh-Plateau 不稳定性 使射流自然破碎成液滴；
- 液滴经电极带电、穿过偏转板，被选择"打印"或"回收"。
- 适合大间距喷射（如产品包装编码）；用挥发性溶剂墨 → 干燥快、粘附好；
- 缺点：分辨率低、维护多、要可带电墨、大量挥发溶剂不环保。
2.2 DOD（Drop-on-Demand，按需喷墨）
在需要时才产生液滴，靠 热式 / 压电 / 静电 三种执行器驱动：
- Thermal（热式）：电阻 350–400°C 瞬间加热墨水，形成气泡把液滴挤出。优：分辨率高、喷嘴密度高、便宜；缺：墨种窄、kogation（焦化硬膜）影响寿命。
- Piezoelectric（压电）：电压脉冲使压电驱动器变形压迫墨腔挤出液滴。优：墨种广、寿命长；缺：贵。
- Electrostatic（静电）：静电驱动压力板变形。
3. 商业系统
3.1 3D Systems — Multi-Jet Printing (MJP / ProJet)
- 多喷头阵列喷射 光敏树脂（模型）+ 蜡（支撑） → UV 灯整层固化 → 平台下降 → 下一层。
- 分辨率高达 750×750×1600 DPI（XYZ）。
- 蒸汽蒸蜡支撑：比机械/化学去除快 4 倍。
- 优点：文件到零件工作流顺畅、速度快、后处理简单、精度极高。
- 应用：夹具/治具、医疗 ISO 10993 器械、投资铸造母模、珠宝、概念/验证原型。
3.2 Stratasys — Objet/PolyJet
- 原理：多喷头沿 XY 沉积光敏树脂液滴 → UV 灯即时固化 → 平台下降 16 µm → 再喷……
- 支撑材料可用高压水射流清除；SHR 可单独更换故障喷嘴。
- 优点：层厚低至 16 µm（J750 可到 14 µm）、薄壁 ≤600 µm、后处理快、表面光滑、多材料多色、可做类橡胶 Tango、透明材料、打印过程可更换料盒。
- 缺点：小精细件清理需小心、支撑材成本高、喷头随老化易堵塞。
- 应用：概念设计、工装、铸造、医学影像/手术模型、珠宝、4D 打印（多材料 + 形状记忆聚合物）、Luxexcel 光学透镜 Printoptical（透明 UV 树脂打印即成光学件）。
3.3 XJet — NanoParticle Jetting（NPJ）
- 独有液态分散技术：液态墨水中悬浮 金属或陶瓷纳米颗粒；10 µm 超薄层逐层喷射。
- 腔内高温（300°C）蒸发液态载体，留下致密（~99.9%）金属/陶瓷零件。
- 支撑可溶、纳米尺寸分布让堆积更致密。
- 应用：珠宝（18K 金、银）、316L 不锈钢、陶瓷（耳机内部结构）、17-4PH 外科手术尖端。
4. Aerosol Jet（Optomec，气溶胶喷射）— 印刷电子专用
完全不同于 Inkjet！
4.1 四步物理过程
- 墨水雾化（Atomization）
- 气溶胶输送（Transportation）
- 气动聚焦（Aerodynamic focusing）
- 沉积（Deposition）
4.2 两种雾化方式
| 项目 | 气动雾化（Pneumatic） | 超声雾化（Ultrasonic） |
|---|---|---|
| 墨粘度 | 1–1000 cP | <10 cP |
| 原理 | 文丘里管 + 喷嘴（伯努利效应带起墨） | 1.6–2.4 MHz 超声换能器 |
| 最少墨量 | 20 ml | 1–2 ml |
| 液滴尺寸 | 3–5 µm | ~1 µm |
| 粒子尺寸 | <1 µm | <0.1 µm |
- 鞘气（sheath gas）形成直径 10 µm – 2.5 mm 的准直束，~50 m/s 从喷嘴射出，工作距离 2–5 mm；
- 长焦距允许在不平整/3D 表面上印刷（共形打印，conformal printing）；
- 后续可烧结（热/光化学）或 UV 固化。
- 可打印材料：金、铂、银、碳纳米管（CNT）、聚合物；墨粒径 <200 nm 最好（max 300–500 nm），固含 5–70%。
4.3 Aerosol Jet 的优缺点
- 优点：分辨率 10 µm、层厚 10 nm 起、打印速度 20 cm/s、墨种广、可共形打印、多喷头可量产。
- 缺点：受墨粒径、含量限制；过程参数多（墨配方、表面处理、气流、基材、道次、高度、分辨率、烧结）。
- 应用：印刷天线、UAV 电子、半导体封装、可穿戴应变/pH 传感器（CNT+带状绷带）、透明 CNT 电极。
5. Nano Dimension — 增材制造电子（AME / 多层 PCB 打印）
- 多喷头多材料喷射：导电银纳米颗粒墨 + 光敏聚合物。
- 烧结双系统：UV 光交联聚合物、红外光烧结银墨。
- 优点：开发周期短、无大批量下单限制、长时间自动化、可做复杂结构和非平面电路；
- 缺点：专用材料（银/金）、构建体积有限、高度仅几厘米（~4 层）；
- 应用：AME 电容、垂直堆叠 IC、侧面组件安装、电感/线圈、RF 天线、3D MID。
6. 典型质量问题
- 收缩（Shrinkage）
- 层厚不均（Inconsistent layer height）
- 咖啡环效应（Coffee-ring effect） — 仅针对颗粒墨：液滴边缘蒸发更快 → 毛细流把颗粒推到边缘 → 沉积环形。
- 其他 UV 固化缺陷：润湿不足、液滴合并失败、固化不均等。
7. 3D 打印电子的动机
传统电子制造需多步加减材（光刻、激光烧蚀等）：复杂、耗时、不经济、不环保。直接喷射 / 气溶胶打印可绕过光掩模、可在非平面/已有器件上直写电路，潜力大（取代 PCB）。
二、English Summary
1. Definition
Material Jetting selectively deposits droplets of build material (photopolymer, wax, nanoparticle suspensions) through print heads, cured or dried layer by layer.
2. Inkjet Fundamentals
CIJ — high-frequency piezo-driven continuous stream; droplets formed by Rayleigh-Plateau instability; electrostatic deflection selects printed vs recycled droplets. Pros: fast drying, long distance. Cons: low resolution, high maintenance, needs chargeable fluids, volatile solvents. DOD — droplets ejected only when commanded:
- Thermal: 350–400°C resistor vaporises ink to form bubble. Pros: high resolution, cheap. Cons: kogation.
- Piezoelectric: voltage pulses deform piezo actuator. Pros: wide inks, long life. Cons: expensive.
- Electrostatic: voltage deforms pressure plate.
3. Commercial Systems
3D Systems MJP (ProJet) — multi-head jets photopolymer + wax support, cured by UV lamp; resolution 750×750×1600 DPI; steam removal of wax (4× faster); applications: jigs, ISO 10993 medical devices, investment casting patterns.
Stratasys PolyJet / Objet — jets droplets while UV cures in-line; 16 µm layers, fine walls ≤600 µm; multi-material & multi-color (Tango rubber, transparent); Single Head Replacement. Applications: biomodels, jewellery, 4D printing (SMP), Luxexcel Printoptical lens printing. Cons: fragile part clean-up, support cost, nozzle clogging.
XJet NPJ — liquid cartridge with metal/ceramic nanoparticles jetted as 10 µm layers; chamber at 300°C evaporates liquid, leaving ~99.9% dense part; soluble support. Applications: jewellery, ceramic earbud internals, 17-4PH surgical tips.
4. Aerosol Jet (Optomec) — Printed Electronics
Four physical steps: atomize → transport → aerodynamic focus → deposit. Pneumatic (1–1000 cP, venturi, 3–5 µm droplets) vs Ultrasonic (<10 cP, 1.6–2.4 MHz, ~1 µm droplets). Sheath gas creates collimated beam (10 µm–2.5 mm, ~50 m/s), 2–5 mm working distance → enables conformal printing on 3D/uneven surfaces. Pros: 10 µm feature, 10 nm layer, 20 cm/s, gold/Pt/Ag/CNT/polymer, multi-nozzle scaling. Cons: ink particle size <200 nm preferred; many process parameters. Apps: antennas, UAV electronics, semiconductor packaging, wearable strain & pH sensors, transparent CNT electronics.
5. Nano Dimension AME
Multi-material jetting of conductive silver nanoparticle ink + photopolymer; UV crosslinks polymer, IR sinters silver. Enables embedded capacitors, stacked ICs, side-mounted components, RF antennas. Limits: proprietary Ag/Au only, small build volume (~few cm).
6. Quality Issues
Shrinkage, inconsistent layer height, coffee-ring effect (particle inks — faster edge evaporation + capillary flow pushes particles outward).
7. Motivation for 3D-Printed Electronics
Conventional electronics fabrication is multi-step additive+subtractive (photolithography, laser ablation) — complicated, expensive, environmentally hostile. Jet-based direct writing can replace masks and even eliminate PCBs by printing on devices directly.
三、速记要点 / Quick Recall
- CIJ 连续、DOD 按需；DOD 三种执行器：热/压电/静电。
- MJP 用光敏树脂 + 蜡支撑；PolyJet 用 UV 即时固化、16 µm 层厚。
- NPJ（XJet）：纳米颗粒液 + 300°C 蒸干 → 99.9% 致密金属/陶瓷。
- Aerosol Jet：气溶胶 + 鞘气聚焦；可共形打印；两种雾化（Pneumatic vs Ultrasonic）。
- Nano Dimension：银墨 + 光敏聚合物 → 3D PCB。
- 颗粒墨独有的缺陷：Coffee-ring effect。
