Струйное нанесение материала

Струйное нанесение материала — это технологический процесс формирования слоя материала на поверхности подложки путём направленного осаждения дискретных капель жидкости, расплава или суспензии. Данный метод относится к аддитивным технологиям и широко применяется в промышленности, полиграфии, электронике и биомедицине для создания покрытий, печатных изображений и трёхмерных объектов.

История развития

Первые экспериментальные устройства для струйного нанесения появились в середине XIX века. В 1867 году британский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) запатентовал устройство для записи электрических сигналов с помощью струи чернил, управляемой электростатическим полем. Однако практическое применение технологии началось лишь в 1950-х годах, когда были разработаны первые коммерческие струйные принтеры.

В 1976 году компания IBM выпустила модель IBM 4640 — первый промышленный струйный принтер, основанный на технологии непрерывной струи. Прорыв произошёл в 1984 году, когда компания Hewlett-Packard представила принтер ThinkJet, использующий метод термического пузырькового нанесения. В 1990-х годах технология была адаптирована для нанесения не только чернил, но и функциональных материалов — проводящих паст, биополимеров и клеевых составов.

В России активное развитие струйного нанесения началось в 2000-х годах в рамках программы импортозамещения в микроэлектронике и авиастроении. К 2020 году отечественные предприятия освоили выпуск промышленных струйных головок для нанесения термоинтерфейсных материалов и защитных покрытий.

Принцип работы

Основу процесса составляет генерация капель жидкости заданного объёма и их направленное перемещение к подложке. Жидкость подаётся в камеру, соединённую с соплом (диаметр от 10 до 100 мкм). Под действием импульсного давления (теплового, пьезоэлектрического или акустического) из сопла выбрасывается капля, которая летит по баллистической траектории к поверхности.

Различают два основных режима:

• Непрерывная струя (Continuous Inkjet, CIJ) — жидкость постоянно вытекает из сопла, образуя струю, которая распадается на капли под действием вибрации. Капли заряжаются в электрическом поле и отклоняются на нужную позицию подложки.
• Капельная струя (Drop-on-Demand, DOD) — капля формируется только при поступлении управляющего сигнала. Этот режим более экономичен и точен, поэтому используется в большинстве современных систем.

Классификация

По типу управляющего воздействия выделяют:

• Термическое струйное нанесение — нагрев жидкости в камере до образования пузырька пара, который выталкивает каплю. Характерно для чернильных принтеров Canon и HP. Недостаток — ограничение по типу жидкости (не подходят для термочувствительных материалов).
• Пьезоэлектрическое струйное нанесение — деформация пьезокерамического элемента изменяет объём камеры, создавая импульс давления. Применяется в промышленных системах (Epson, Fujifilm Dimatix). Позволяет работать с вязкими жидкостями и расплавами.
• Электростатическое струйное нанесение — капля отрывается под действием электростатических сил. Используется в системах для нанесения биоматериалов и лекарственных препаратов.

По типу наносимого материала:

• Чернила (водные, сольвентные, UV-отверждаемые) — для полиграфии и маркировки.
• Проводящие пасты (серебряные, медные, углеродные) — для печатной электроники.
• Расплавы полимеров (термопласты, воски) — для 3D-печати и литья по выплавляемым моделям.
• Биологические суспензии (клетки, белки, ДНК) — для тканевой инженерии и биочипов.

Устройство и характеристики

Типовая система струйного нанесения включает:

• Печатающая головка — массив сопел (от 128 до 2048), каждый из которых управляется независимо. Разрешение печати определяется расстоянием между соплами (обычно 300–1200 точек на дюйм).
• Система подачи жидкости — резервуар, насос, фильтры и дегазатор для удаления пузырьков воздуха.
• Система позиционирования — XY-стол с шаговыми двигателями или сервоприводами, обеспечивающий точность перемещения до 1 мкм.
• Контроллер — микропроцессор, формирующий сигналы для головки и стола на основе цифрового изображения или CAD-модели.

Ключевые характеристики:

• Объём капли — от 1 пл (пиколитр) до 100 нл. Малый объём обеспечивает высокое разрешение, но снижает производительность.
• Вязкость жидкости — оптимальный диапазон 1–50 мПа·с. Для вязких материалов требуется подогрев или использование растворителей.
• Частота каплеобразования — до 100 кГц для DOD-систем и до 1 МГц для CIJ.
• Толщина слоя — от 0,1 до 100 мкм за один проход.

Применение

Полиграфия и маркировка

Струйное нанесение доминирует в сегменте малотиражной и персонализированной печати: от фотопринтеров до промышленных маркираторов, наносящих даты и штрихкоды на упаковку. Технология позволяет печатать на неровных и гибких поверхностях (ткань, пластик, металл).

Печатная электроника

Метод используется для нанесения токопроводящих дорожек, резисторов и конденсаторов на гибкие подложки. В 2020-х годах российские компании (например, АО «НИИМЭ») освоили струйное нанесение серебряных чернил для изготовления RFID-меток и датчиков.

Биомедицина

В тканевой инженерии струйное нанесение применяется для послойного осаждения клеток и гидрогелей, формирующих трёхмерные тканеподобные структуры. Технология позволяет создавать микрофлюидные чипы для анализа ДНК и белков.

3D-печать

Струйное нанесение расплавов полимеров (PolyJet, MultiJet Modeling) используется для создания прототипов и мастер-моделей. В отличие от FDM-печати, метод обеспечивает более высокое разрешение (до 16 мкм) и возможность одновременного нанесения нескольких материалов.

Производство солнечных батарей

Струйное нанесение перовскитных чернил позволяет формировать фотоактивные слои тонкоплёночных солнечных элементов. Преимущество — снижение отходов материала по сравнению с центрифугированием.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Бесконтактность — отсутствие механического давления на подложку, что важно для хрупких материалов (кремниевые пластины, биологические образцы).
• Высокая точность дозирования — объём капли контролируется с погрешностью менее 1%.
• Возможность нанесения на неплоские поверхности (цилиндры, сферы).
• Масштабируемость — от лабораторных установок до промышленных линий шириной до 2 м.

Недостатки:

• Ограничение по вязкости жидкости — для высоковязких составов (более 100 мПа·с) требуется специальное оборудование.
• Чувствительность к загрязнениям — засорение сопел частицами размером более 1 мкм приводит к дефектам.
• Низкая скорость при больших объёмах — для покрытия площадей более 1 м²/мин уступает трафаретной печати.
• Зависимость от свойств жидкости (поверхностное натяжение, испаряемость).

Перспективы развития

Современные исследования направлены на увеличение производительности за счёт многоструйных головок с плотностью сопел до 2400 на дюйм. Разрабатываются системы с автоматической очисткой сопел и контролем вязкости в реальном времени.

В России в рамках национального проекта «Наука и университеты» ведутся работы по созданию струйных головок для нанесения функциональных материалов в микроэлектронике и фотонике. В 2023 году Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН представил прототип установки для струйного нанесения наноалмазных суспензий.

Источники

1. Технология струйной печати: учебное пособие / Под ред. В. А. Лобанова. — М.: МГУП им. Ивана Фёдорова, 2018.
2. Патент РФ № 2712345 «Устройство струйного нанесения покрытий на внутренние поверхности труб» (2020).
3. ГОСТ Р 58079-2018 «Технологии аддитивные. Струйное нанесение материала. Общие требования».
4. Отчёт АО «НИИМЭ» «Разработка промышленной технологии струйного нанесения токопроводящих чернил» (2021).
5. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 112, 2021, «Drop-on-Demand Printing of Conductive Inks: A Review».