（机械电子工程专业论文）压电喷墨过程数值分析及供墨系统设计.pdf

浙江：【业大学硕七学位论文 压电喷墨过程数值分析及供墨系统设计 摘要 印刷产业是我国国民经济的基础，随着高新技术的不断发展，传统印刷业也面临着 向数字化印刷方向进行产业升级，其中具有低成本运行、环保优势的数字喷墨技术被业 内认定为未来的主流印刷技术。“十二五 规划明确提出要发展具有自主知识产权的高 速喷墨印刷系统。喷头和供墨系统是保证工业高速喷墨印刷机连续可靠且高质量运行的 关键因素。喷墨喷头专利长期被国外垄断，技术壁垒大，研发周期较长，而同等重要的 供墨系统技术难度相对较低，并且目前研究的较少，利于从中得到突破，取得自主知识 产权，从而在高速喷墨印刷机的研发中掌握主动权。 油墨是决定及制约喷墨印刷效率和质量的关键。我国喷墨油墨技术虽取得长足进 步，但仍在关键技术上有所欠缺，墨水特性受环境因素影响较大，对造成喷墨效果不佳。 本文针对喷墨系统的需求，进行了以下工作： 1 ) 分析了喷墨印刷的工作原理，特别是对工业喷墨印刷采用的压电喷墨技术进行 了液滴喷射过程的流体特性分析。分析喷墨印刷质量的影响因素，结合流体力 学原理，研究墨水特性对压电喷墨过程的影响机理。 2 ) 采用f l u e n t 计算仿真平台，建立压电喷墨的物理模型和数学模型，进行墨水特 性对墨滴成形和喷射效果影响机理的分析，得到喷头工作有其最佳粘度范围的 结论。 3 ) 针对x a a r 5 0 0 压电喷头，分析其结构参数和工作特性，进行其供墨系统的功 能和结构设计，并开发基于5 1 单片机的控制系统，完成组装，得到一套独立运 行的机电一体化子系统。通过对墨水温度和负压的控制，达到良好的墨水特性 和供墨特性控制性能，满足喷墨系统连续可靠及高质量运行的需求。 本文通过分析墨水特性和压电喷墨的工作过程，采用f l u e n t 软件仿真分析墨水特性 对喷墨印刷的影响机理，并在此基础上进行了供墨系统的设计开发，提出通过控制墨水 温度来调节粘度以及控制墨水液位调节供墨压力的方法，完成了对墨水特性和供墨特性 的良好控制，提高了高速喷墨印刷的可靠性和印刷效果。在实际应用中取得了良好的效 果。 关键词：压电喷墨，数值分析，供墨系统，微机控制 摘要 i i 浙江t 业大学硕士学位论文 n u m e i u c a la n a l y s i so ft h ep r o c e s so f p i e z o e l e c t i u ci n k j e ta n d t h ei n ks u p p l ys y s t e md e s i g n a b s t r a c t t h ep r i n t i n gi n d u s t r ya st h eb a s eo fn a t i o n a le c o n o m yi st u r n i n gt od i g i t a lp r i n t i n g , w i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to fh i g h - t e c h b e c a u s eo fl o wc o s ta n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h e d i 酉t a li n k j e tp r i n t i n gi sc o n s i d e r e dt ob et h em a i np r i n t i n gt e c h n o l o g yb yp e o p l ei nt h ef i e l d t h e “t w e l f t hf i v e y e a rp l a n ”m a k ei tc l e a r l yt h a td e v e l o p i n gh i g h - s p e e di n k j e tp r i n t i n g s y s t e mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n k i e rp i i n th e a da n di n ks u p p l ys y s t e ma r et h e k e yf a c t o r sw h i c he n s u r et h ec o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c eo fh i g h s p e e di n k j e t p r i n t i n gs y s t e m p a t e n t so fi n k j e tp r i n th e a da r em o n o p o l i z e db yo v e r s e a s ，w h i c hm a k e st h e d e v e l o p m e n to f t h ep r i n th e a dh a r da n dn e e dl o n gc y c l e w h i l et h ei n ks u p p l ys y s t e mw h i c hi s e q u a l l yi m p o r t a n ta st h ep r i n th e a dh a sal o w e rd i f f i c u l t ya n dl e s sd e v e l o p e d ，w h i c hm a k ei t e a s i e rt h a tg e tab r e a k t h r o u g hi nt h ed e v e l o p m e n to fi n ks u p p l ys y s t e ma n dg e ti n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , w h i c hi st h ei n i t i a t i v eo ft h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e di n k j e tp r i n t i n g i n ki st h ek e yf a c t o ro fi n k j e te f f i c i e n c ya n dq u a l i t y a l t h o u g ho u rc o u n t r yh a dg r e a t p r o g r e s si nt h ei n k j e ti n kt e c h n o l o g y , s t i l li s s h o r to nk e yt e c h n i q u e i n kp r o p e r t i e sa r e i n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n tg r e a t l y , w h i c hl e a d st oab a dp e r f o r m a n c e t h ed i s s e r t a t i o nd i d s o m ew o r ka i m e da tt h ed e m a n do fi n k i e rp r i n t i n gs y s t e ma sf o l l o w s ： 1 ) a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fi n k j e tp r i n t i n g ，e s p e c i a l l yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f p i e z o e l e c t r i cd r o pj e t a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fi n k j e tp r i n t i n gq u a l i t y , a n d t h ep r i n c i p l et h a th o wi n kc h a r a c t e r i s t i ci n f l u e n c et h ep r o c e s so fp i e z o e l e c t r i cd r o p j e tc o m b i n e dw i t hf l u i dd y n a m i c s 2 ) e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fp i e z o e l e c t r i ci n k j e ti nf l u e n t a n a l y z e dt h ep r i n c i p l et h a t h o wi n kc h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c et h ed r o pf o r m a t i o na n di n k j e tq u a l i t y o b t a i n e dt h e b e s tr a n g eo fi n kv i s c o s i t yf o ri n k j e tp r i n th e a d 3 )a n a l y z e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fx f u 瓜5 0 0p r i n th e a d d e s i g n e dai n ks u p p l ys y s t e ma i m e da tx a a r 5 0 0p r i n th e a d ，w h i c hi sa i n d e p e n d e n ts u b s y s t e mb a s e do n5 1 m i c r o c o m p u t e r , a n de n s u r i n gs u i t a b l ei n k c h a r a c t e r i s t i c sa n di n ks u p p l yc h a r a c t e r i s t i c sb yw e l lc o n t r o l l e di n kt e m p e r a t u r ea n d n e g a t i v ep r e s s u r e w h i c he 】【i 吼e sag o o dc o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c e o f h i g h - s p e e di n k j e tp r i n t i n gs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ns i m u l a t e dt h ep i e z o e l e c t r i ci n k j e tp r o c e s sb yf l u e n t ，a n da n a l y z e dt h e 1 1 1 a b s t r a c t p r i n c i p l et h a th o wi n kc h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c et h ei n k j c tp r i n t i n g t h ed i s s e r t a t i o n a l s o d e s i g n e da l li n ks u p p l ys y s t e m ，w h i c hc o n t r o l st h ei n kc h a r a c t e r i s t i c sw e l l ，a n de n h a n c e st h e p e r f o r m a n c eo fh i g l l - s p e e di n k j e tp r i n t i n g t h ei n ks u p p l ys y s t e mh a sag o o dp e r f o r m a n c ei n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i ci n k j e t ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，i n ks u p p l ys y s t e m ，m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l i v 浙江t 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 印刷业是我国国民经济重要产业，是文化产业的基本载体，关系民生，十一五期间， 我国印刷业总产值保持8 左右的速度增长，取得了瞩目的成绩。十二五规划n 1 中，数字 印刷已成为印刷行业的关键词，其中具有低成本运行、环保优势的数字喷墨技术被业内 认定为未来的主流印刷技术。随着喷墨印刷技术的同益成熟，其市场份额不断扩大，预 计到2 0 1 5 年，全球喷墨印刷产值将达到4 6 5 亿美元，我国喷墨印刷产值将达到1 2 2 亿 j 一 夫兀。 喷墨打印是一种无接触、无压力、无印版的液态喷射技术，成像结果直接在承印材 料表面完成，无需借助其他中间载体，具有低噪音，易于控制，对承印材料厚度、结构 没有限制的优点。喷墨印刷能获得比其他数字印刷高得多的成像质量，同时又具有数字 印刷高度的版面灵活性和按需印刷、制作周期短的特点。因此在短板印刷市场，特别是 包装、大幅喷绘等对图像质量有一定要求的工业领域得到广泛应用。效率是工业生产的 关键，从小型墨盒喷头一体化的往复式消费级喷墨打印机、墨盒喷头分离的大规格往复 式宽幅喷墨打印机到现在备受重视的具有沿印张宽度等距离布置的喷嘴阵列结构的走 纸式喷绘机，喷墨打印在工业应用中朝着大幅面高速喷墨方向快速发展。目前市场上的 喷墨印刷系统，根据应用的不同，可分为3 种不同类型的产品：以爱普生、惠普、佳能 等为代表的大幅面喷墨打印机，以柯达万印、杰鸣数码为代表的高速连续喷墨打印系统 和以赛天使为代表的超大幅面的喷墨数字印刷机。2 0 0 8 德鲁巴国际印刷大展上很多印刷 设备制造商推出了高速喷墨设备，柯达、惠普、方正、施乐等制造商陆续投入到高速喷 墨印刷设备研发中。例如，惠普3 5 0 的速度达到了2 0 0 米分钟，相当于3 9 2 7 页分钟， 印刷幅宽为7 6 2 m m ，分辨率可达1 2 0 0 d p i 术6 0 0 d p i ，在速度和质量上达到了很高的标准。 同时，随着喷墨打印技术的不断进步，喷射液滴不仅体积能达到极其微小，并且能精准 地定位到所需位置。喷墨技术在生物化学微量分析、电子元件和显示器制造、三维快速 成型等领域受到了高度重视和有效应用。 喷墨印刷设备的高速化和精细化发展对打印喷头提出了极高的要求。以柯达、惠普、 第1 章绪 论 x a a r 、爱普生等为代表的喷墨头供应商均投入大量资金研发，使得喷墨头在速度、分 辨率、集成度等方面性能大幅提升。在大规模工业印刷中，墨水消耗很大，压电式喷墨 技术制作的喷墨打印头成本比较高且喷头寿命长，显然消费级喷头墨盒一体化结构不能 满足生产连续性和高效率的基本需求，必须采用供墨系统对喷头进行墨水供给。喷墨打 印归根到底是墨水在管道中受致动器作用后形成的流体运动。因此，墨水特性是影响喷 墨印刷质量的关键。对于特定的喷墨头和承印材料，墨水特性不仅决定了喷射液滴的体 积和速度，还影响墨滴在承印材料上的扩展和渗透效果，决定了印刷的最终质量。压电 喷头的压电特性、施加的电压脉冲信号的幅值和周期和喷嘴的结构需与特定窗口的墨水 特性相配合，才能获得预期的效果。目前不同型号的喷头所用墨水多由生产厂商指定提 供，如x a a r 喷头就有x a a r 官方指定的油墨型号。墨水的不通用性是阻碍喷墨印刷 推广应用的一大障碍，它限制了耗材的大规模批量生产，提高了喷墨印刷的成本。同时， 国内油墨生产虽说有了很大技术发展，但是在核心技术上尚有不足，生产的墨水特性受 环境影响较大，无法保持同一物化特性，影响了喷墨质量。因此，供墨系统的存在使得 墨水特性有了一个缓冲，通过供墨系统的调节，使得墨水特性保持在喷头操作窗口内， 同时能够对喷头进行适时适量的墨水供给，对于保证喷墨印刷的连续性、可靠性和高质 量有着重大的实用意义。 与发达国家相比，在数字印刷应用方面我国起步较晚，但正呈现快速发展的态势， 目前处于快速普及阶段，有很大的发展空间。当前，我国数字印刷企业的主流设备是静 电成像数字印刷机，但由于在幅面、承印物等方面的优势，喷墨数字印刷机发展潜力较 大。2 0 0 9 年喷墨数字印刷机进口金额占印刷设备进口总额的1 0 7 7 ，位居各类设备第 二位。“十二五”规划指出，印刷装备制造业要加大喷墨数字印刷机的研发力度。研发具 有自主知识产权的系列化喷墨数字印刷机，打破进口产品的垄断局面。在商用打印机上， 由于国外技术垄断，惠普、爱普生等少数企业掌握了耗材制造出售垄断权和定价权，榨 取了打印机产业的大部分利润，造成国内买得起打印机用不起耗材的现象，并阻碍了国 内打印机产业的发展。因此，在高速喷墨打印设备的研发上，紧跟国际脚步，积极开发 具有自主产权的喷墨印刷系统具有突破国外技术垄断，降低印刷成本，促进国内印刷业 健康发展，推动产业转型升级的重大意义。相对于技术壁垒较高的打印喷头，研究与 之配套且同样对印刷质量产生重大影响的供墨系统的技术难度较低且周期较短，有利于 在喷墨系统研究过程中掌握主动权。 2 浙江工业人学硕士学位论文 1 2 相关技术研究现状 1 2 1喷墨打印技术介绍 喷墨打印陬3 3 是将图文信息转化成脉冲的电信号，然后由这些电信号控制墨水喷射 到介质表面特定位置形成所需文字及图像的打印技术，能够在打印前任意改变其输出的 内容，实现可变信息印刷。喷墨打印可以分为连续式和按需式两大类。连续式喷墨技术 是以高频率驱动墨水，使墨水以每秒5 - 1 0 万墨滴的速度连续地喷出喷孔，并通过偏转 电极控制墨滴的落点，选择性地使液滴附上介质或进入墨水回收装置。连续喷墨技术可 以达到较高的喷射速度，但设备复杂，对喷射物料要求严格，成本较高，常用于高速但 精度低的场合。按需式喷墨打印则是靠喷头内部的致动器发生形变产生的压力波传到喷 孔，转变为墨水速度使其以微滴形式喷出，避免了墨滴带电、偏折及墨水回收的复杂性 和不可靠性，应用更为广泛。根据驱动方式的不同，按需喷墨技术可以分为热气泡式、 压电式、静电式和超声波式。其中静电式和超声波式喷墨技术尚未成熟，常用的喷墨打 印系统基本都基于热气泡或压电原理。 a 连续喷墨打印 c b h a h 嘶 b 按需喷墨打印 图1 - 1 喷墨打印原理示意图 热气泡式喷墨依靠电子信号控制喷头中的加热元件瞬间高热，使其周围墨水汽化为 气泡，气泡膨胀产生压力，将墨水向喷孔推挤在尖端形成墨滴，墨滴克服表面张力喷出。 压电式喷墨技术依靠电压脉冲驱动压电陶瓷器件使之产生变形，造成墨水通道壁体积变 化生成和喷射墨滴。比较而言，热气泡式集成度高、体积小的优点，但由于热效应速度 慢、寿命短、墨滴控制性差，常用于办公和家用领域。而压电式则反应快，能通过电场 实现墨滴运动的良好控制，达到较高的打印精度，并且在常温状态下将墨水喷出，墨水 特性不会发生化学变化，降低了对墨水的要求，因此在工业应用领域压电式喷墨得到了 3 勰 震专 甲 第1 章绪论 更广泛的应用。压电喷墨按压电陶瓷的变形方式可以分为四类：弯曲型，推进型，剪切 型和挤压型。其中弯曲型和推进型的电场平行于压电陶瓷的极性，剪切型的电场则垂直 于压电陶瓷的极性，而弯曲型则采用极性呈放射状的压电陶瓷管。弯曲型及推进型压电 喷墨技术由e p s o n 发明和使用，形成了m l c h i p s ，m l p 和t f p 等技术，主要应用于家 用及办公领域。而剪切型多用于工业喷墨头，其代表是x a a r 和s p e c t r a ，广泛应用于 喷绘机，数字印刷机等。 压电陶瓷 电乒 ：一喊 喷孔面板 i ，喷扎 图卜2 a 弯曲型压电喷墨 j - - 4 1 , 喷孔面板 ，。赫。 孔，承印物 图i - 2 b 推进型压电喷墨 墨水入口 e 图卜2 剪切型压电喷墨图卜2 d 挤压型压电喷墨 图卜2 压电喷墨原理示意图 x a a r 公司于1 9 9 0 年于英国成立，经过多年发展，成为世界领先的工业喷墨喷头 供应商，拥有大量的专利技术，例如双v 型结构的压电晶体技术、墨滴优化技术及串流 技术等，为商务印刷和工业生产市场提供先进的工业喷墨喷头、墨水和配套设备。x a a r 喷墨喷头能够提供高准确度和精密度，适用于高效、高质打印，可变墨滴压电喷墨喷头 平台甚至能够以高性能水平提供更高的分辨率和打印质量。因此x a a r 在国内外工业 喷墨机，例如喷绘机上得到了广泛应用，是在市场占有率上领先的喷头制造商。 1 2 2 压电喷墨研究现状 压电喷墨的体积变化基于压电材料变形，不存在热气泡喷墨加热器表面的结焦现 象，对墨水几乎没有限制，因此在不同领域应用广泛，得到了国内外研究人员的重视。 b r u c e 5 1 进行了液体喷射试验，研究液体特性对液滴速度、分离长度和稳定性的影响， 4 浙江丁业大学硕士学位论文 得出高分子液体稳定性较差，与液体浓度成反比的结论。 p i m b l e y 和l e e 6 】对液滴和卫星液滴的形成进行了试验与理论研究，借助闪屏观测器 测量卫星液滴断裂的距离。 b u g d a y c i 和b o g y 7 1 等人对挤压式喷头内流体压力与施加电压关系进行研究，得出内 外径差值越小，液滴喷射所需电压越小的结论。 e r i cr l e e 8 1 的著作指出，为得到良好可靠的喷射形态，需对驱动脉冲幅值、驱动脉 冲形状、喷孔处墨水状况、液滴喷射脉冲频率、供应面水平和液体温度进行优化。 魏大忠【9 】等对压电喷头进行动力学分析，得出压电器件振幅与墨水腔深度成正比的 关系。 林建桦【1 0 】等对挤压式喷头进行了喷射实验研究，得出驱动电压正脉冲波宽对液滴出 口时间及液滴速度的影响以及驱动电压幅值与液滴速度体积呈正比的关系。 y a w s h e nc h e n 1 1 1 等人通过数值模拟进行了弯曲式喷头结构参数设计的研究，提出 了体积因子与液滴速度的关系，得到了一系列喷头结构参数设计的公式。 n l i l l k 和r s e m i a t 1 2 1 利用激光多普勒测速仪和图像可视化系统采用不同幅值与频 率的脉冲电压对宽幅打印机的墨滴喷射过程进行了研究，得出打印质量受卫星墨滴影响 的结论，并进行了计算机仿真模拟，得出了与实际相仿的结论，并建立了脉冲电压与喷 墨压力的关系曲线。 刘春格【1 3 】等人通过数学推导得出墨滴速度的算法公式，分析了喷射速度的影响因 素。 h e r m a n w i j s h o 一1 4 】贝0 从压电致动、管道声波传递和墨滴成型等方面对压电喷头的动 力学特性进行了分析。 p y u n g h os h i n 1 5 】等人进行了不同温度和驱动电压对压电墨滴成型的影响研究，得出 温度上升导致液体粘度下降，粘滞力减小而喷嘴内毛细管力提高，以及温度或驱动电压 提高使墨滴变大的结论。 p y u n g h os h i n t 1 等人研究了利用双脉冲控制低粘度墨水的墨滴成型方法，实现了常 规单脉冲下难以避免卫星墨滴的低粘度墨水的单墨滴喷射，得出了墨滴体积速度与双脉 冲间隔时间及电压幅度之间的关系。 在数值仿真上，吴铉忠【1 7 1 等对挤压式喷头建立三维模型进行液滴生成、飞行和击打 承印材料全过程的数值仿真，并进行实验对比得出一致的效果，又通过仿真模型研究了 墨水特性、喷头长度及压力波形对液滴成型的影响。 5 第1 章绪论 i u n d e ry u 1 8 】等人发展了一种用于喷墨模拟的针对四边形网格的改进型l e v e l s e t 方法，基于n s 方程对驱动电压下不可压气液两相流边界变化进行了数值仿真，得到了 与实际相符的结果。 史敏【l9 】通过v o f 法建立可预测液滴大小和速度的仿真模型，得出粘度增加减慢墨 滴成型以及密度和表面张力对墨滴成型影响不大的结论。 史永副2 0 】用数学方法模拟了压电喷头内的动力学特征、墨水粘度、喷射速度和墨滴 着落的过程，得出了通过压力和流速确定最佳喷嘴结构的方法。 综上所述，国内外学者对压电喷头的工作机制，动力学特性和液滴喷射影响因素进 行了大量的实验观察和研究，得出了许多液滴喷射速度、墨滴体积大小和卫星液滴产生 的影响机理。但是，这些研究大多集中于喷头结构及驱动电压与压电液滴喷射效果之间 的联系，着眼于压电喷头的设计开发研究，而对于墨水特性与压电液滴喷射效果关系的 研究还不够充分。同时，由于压电喷头属精密机械结构，随着压电喷墨技术的发展，为 达到更好的印刷效果，要求墨滴尺寸越来越小，使得喷孔精细到微米级，采用实验方法 对压电喷墨进行研究需要高速显微照相仪等高端辅助设备，提高了实验复杂度和运行成 本。而流体力学计算机模拟软件( c f d ) 经过多年发展，具有一定的仿真有效性，能分 析复杂的流体动力特性，简化了实验条件并得到了有一定参考价值的实验结果。因此， 在实验条件不具备的情况下，通过计算机数值仿真，分析墨水特性对墨滴喷射影响机制， 对供墨系统的功能设计有重要指导作用，具有重要现实意义。 1 2 3 供墨系统研究现状 良好的墨滴形态是保证优秀喷墨印刷质量的关键。压电喷墨头的墨滴喷射有其特定 的墨水特性和供墨特性需求。工业喷墨系统的连续可靠运行必须基于喷头与供墨系统的 良好配合。高速喷墨印刷机的发展离不开供墨系统的研究。 自吸供墨系统利用外置储墨盒，通过虹吸作用，使墨水经由墨水管道送入喷头，实 现连续供墨。根据需求不同，可每个喷头设置一个储墨盒，或者多个喷头共用一个储墨 剑2 。其结构简单，是最常见的一种供墨系统，但是为保证喷头不缺墨或漏墨，对不同 系统均需调整储墨罐和喷头高度差，增加了安装复杂度，比较麻烦。 压力供墨系统是在喷头与墨盒距离较远，供墨管较长，或墨水粘度较大时常用的一 种供墨系统，由位差、气压或液压泵来产生压力。在位差供墨系统中还可利用真空系统 和压缩空气来调节喷头内压。压力供墨系统可通过压力控制系统对喷头内压进行调节， 6 浙江丁业大学硕士学位论文 保持合适的墨水弯月面。墨水弯月面是由毛细血管现象形成的喷嘴管内液面的凹凸面。 若弯月面湿润喷头末端，说明喷嘴末端压力较高，需要较高的喷射电压，反之说明喷嘴 末端压力较低，墨水可能因虹吸现象倒回储液盒。保证喷头j 下常运行的墨水负压取决于 喷孔的直径、墨水的表面张力和墨水与喷孔表面材料的润湿特性。供墨系统的压力控制 有压力计管、可变液体压头和压力自动控制等手段【8 】。其中前两者均通过手动调节获取 合适内压，不仅调试麻烦还不精确。自动控压则是利用压力传感器将喷头压力变化反馈 给计算机，控制双向蠕动泵运行，自动恢复内压，见图1 3 。 图1 - 3 压力自动控制系统3 3 j 一种数码喷绘机的供墨系统，如图1 4 所示。当墨盒中墨的液位降低时，浮子开关 随之下降，液位降到一定位置时，开关接通，信号传输到电源板，电源板通过浮子线将 信号传送到供墨板，供墨板接通相应墨泵，油墨被抽到墨盒中。当液位升高时，因浮子 的比重小于油墨的比重，浮子会上升，直至切断供墨信号，墨泵停止供墨。按此过程， 供墨系统实现不问断供墨。 7 第1 章绪论 荔喷头 缴 图1 _ 4 一种数码喷绘机的供墨系统示意图 一种喷墨制网机的供墨系统【2 2 1 ，如图1 5 所示，其储墨瓶分为大小两个，通过泵将 墨水从大瓶输向小瓶，中间用过滤器过滤杂质。小储墨瓶中的墨水通过缓冲池进入喷头。 喷头与小储墨瓶保持一定液位差，否则通过泵补给小储墨瓶的墨量。 大储墨瓶 图1 5 一种喷墨制网机的供墨系统示意图 2 2 】 浙江工程学院研制了一种喷墨制网机的供墨系统2 3 1 ，如图1 - 6 所示，其储墨盒中装 有一定量的墨水，通过调节单向节流阀能够改变墨道内的压力p 加，从而控制供墨量。 储墨盒中墨水通过墨道进入缓冲墨盒，其中置有海绵以滤去杂质，并调节供墨量大小： 缓冲墨盒与喷头相连，喷头工作时产生的负压将墨水通过缓冲墨盒的海绵供给喷头。此 时p 抽增大，当达到一定值后，此压差将储墨盒中墨水吸入缓冲盒。周而复始，保证喷 头正常工作。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 6 浙江工程学院研制的喷墨制网机的供墨系统矧 x a a r 开发了一种末端供墨系统【2 4 】，包括储墨罐、泵、过滤器、副墨盒和控制器等。 供墨系统连接主墨槽和喷头，每个装置最多可控制8 台泵和1 6 个喷头。系统能精确地 控制墨水压力，使墨水保持在合适的液位，以便稳定、自如地喷射。此外，还可以利用 其所控制的压力冲刷装置，辅助喷头进行维护保养。副墨盒上的l e d 指示灯显示内部 液位传感器的状态，便于用户观查监控，并且通过接触其良好的平坦背面，可达到有效 的快速加热目的。 综上所述，目前供墨系统主要功能是为喷头提高合适压力，保持墨水弯月面在适当 范围，保证喷头的连续可靠工作。压力主要通过虹吸、位差气压或液压泵产生，其中虹 吸、位差法结构简单但使用调整麻烦、稳定性差，气压、液压泵法有较好的调节性和较 高的稳定性但设备复杂，集成性较差。同时压力的自动调节无疑是未来供墨系统的必须 苫 第1 章绪 论 功能之一。从简单的单墨盒供墨，到利用二级墨盒缓冲，提高控制精度，再到自动控制 功能的加入，作为喷头的配套设备，供墨系统的重要性日益受到重视，独立运行的机电 一体化子系统是供墨系统的发展方向。同时随着喷墨打印应用范围的飞速扩展，各种打 印墨水不断更新，喷头对墨水特性的要求越来越高，保持供墨系统中墨水特性稳定对保 证喷头可靠工作具有重大的现实意义。另外，在打印喷头快速发展的同时，提高供墨系 统的普遍应用性和喷头间兼容性能够大幅缩短喷墨系统的开发周期和研究成本。目前的 供墨系统普遍存在控制性差、设备复杂、集成度低、依赖喷墨系统控制以及无法对墨水 特性进行调节等不足，因此，开发一套结构简单，能够调节墨水特性和供墨特性、性能 优异，且能独立运行、控制参数可调的可扩展供墨系统对于我国喷墨印刷系统的开发具 有重大意义。 1 3 论文研究内容 综上所述，国内外学者对压电喷头进行了大量研究，但大多以开发压电喷头为目标， 着眼于研究喷头结构和驱动脉冲电压特性对压电喷墨的影响机制，对于墨水特性对压电 喷墨影响机制的研究尚有欠缺；对供墨系统的研究应用主要集中在供墨压力的控制，且 控制系统或者结构复杂或者精度不高。本文通过分析墨水特性及压电喷墨的流体动力特 性，采用f l u e n t 进行数值仿真分析，推出压电喷墨合适的墨水特性范围，并提出通过控 制温度调节墨水特性以及控制液位调节供墨压力的方法，以此为基础结合喷头的工作特 性，设计基于微机控制的独立供墨子系统，得到了良好的墨水特性和供墨特性的控制效 果。本文所研究的具体内容如下： 第一章提出论文研究的背景及意义，介绍喷墨打印尤其是压电喷墨，以及供墨系统 的研究现状，最后阐明本文的主要研究内容。 第二章分析喷墨墨水特性和喷墨印刷的质量评价指标，推出墨滴成型对喷墨印刷质 量的影响机制，并结合压电喷墨的工作原理，研究压电喷墨过程的影响因素。 第三章采用f l u e n t 流体力学计算仿真平台，建立墨滴喷射物理及数学模型，运用 v o f 模型对墨滴生成、断裂以及飞行的过程进行数值模拟，并通过不同的边界条件设定， 研究墨滴成型的影响机制，推出墨水特性对液滴喷射的影响机制。 第四章分析x a a r 5 0 0 喷头的结构参数与工作特性需求，进行供墨系统的功能设计， 提出墨水特性和供墨特性的控制方案，并进行相关机构设计和配件选型。设计供墨系统 的电子控制面板，并根据控温控压的要求，提出相关控制策略。最终完成整套供墨系统 l o 浙江：j 二业大学硕士学位论文 的制作组装，进行试验调试。 第五章对全文工作进行总结，并对后续研究进行设想和展望。 第2 章压电喷墨的流体动力特性分析 第2 章压电喷墨的流体动力特性分析 2 1 喷墨印刷的墨水特性 油墨是喷墨印刷最重要的组成部分。与传统胶印印刷方式不同，喷墨印刷的液滴喷 射原理涉及到墨滴的形成和断裂，这就决定了其对油墨很大的依赖关系。根据研究，墨 滴的断裂时间与其表面张力成正比，与其黏度和喷嘴直径成反比。油墨不仅决定了喷墨 图像的质量，还决定了墨滴的形状以及印刷系统的可靠性。墨水特性对生成既定尺寸墨 滴、减少墨雾或卫星液滴、提高墨滴喷射频率和实现高速印刷起到关键作用。因此，油 墨的选择必须要能够实现喷墨印刷头的最佳性能。在不同领域和承印材料上使用的喷墨 印刷油墨种类不同。目前，主流的喷墨油墨类型有溶剂型油墨、油基型油墨、水基型油 墨、紫外光固化油墨等。喷墨油墨由于其工作方式在于墨管内的流动和墨滴喷射过程， 因此，对喷墨印刷效果影响最大的是其流体动力特性。评价油墨的指标参数有许多，例 如：粘度、表面张力、颗粒大小、导电性、比重、干燥时间、稳定性、p h 值等【2 5 之8 1 。 2 1 1粘度 粘度是阻止流体流动的一种性质，是流体分子间内聚力牵制其流动，延其界面产生 内摩擦力，从而产生阻碍其分子间相对运动能力的量度，即流体流动的阻力。墨水属于 牛顿流体，服从牛顿摩擦定律，其粘度叩可表述为： 刁2五,g-(2-1) 其中，f 为作用与流体的剪切应力，d 表示切变速率。当剪切应力以d y n c m 2 ，切变速 率以s 。1 为单位时，粘度单位为泊( p ) ，在应用中常以厘泊( c p ) 表示，1 p = 1 0 0 0 c p 。 喷墨印刷机中，为减小运动阻力，往往将墨水管道和喷嘴设计为圆管。墨水在管内 流动近似于不可压缩层流运动，通过欧拉运动方程求解可得出，墨水流量q 的公式： q ：丛万4 ( 2 2 ) 。8 , 7 t 其中，为墨水流过的距离，p 。和p ：分别为墨水流过，前后的压力，为墨水管道半径。 可以看出墨水流量与管道半径的四次方及压力差成正比，与管道长和粘度成反比。因此， 1 2 浙江工业大学硕七学位论文 对压电喷墨而言，墨水粘性阻力对压电致动器发出的压力波有衰减作用，要完成正常的 墨滴喷射压力大小必须足以克服墨水粘性压力损失程度。对高粘度的墨水要求更高的驱 动能量，才能得到喷滴喷射的性能要求。粘度高到一定值后，甚至会导致墨水流动不畅， 导致虚喷或喷头堵塞的故障。粘度过低也不好，可能会导致喷头漏墨现象。因此对于特 定的喷头，在喷头特性和墨水管道确定的情况下，使用的墨水粘度必须与之匹配才能保 证喷头正常可靠地工作。 2 1 2 表面张力 表面张力是指液体表面分子受其内部分子吸引，使表面收缩的力量。表面张力的大 小以表面张力系数万来表示。表面张力系数是指作用在单位长度上的表面张力，常用单 位是d y i l c m 。墨水的表面张力造成射流颈缩，推动墨滴与墨流脱离并喷出喷嘴，是墨滴 生成的必要前提。表面张力影响喷嘴内弯月面的位置，而弯月面的位置则决定了墨滴的 喷射质量。低表面张力的墨水浸润性能好，经过墨水管道和喷嘴时，靠近管壁和中心的 流速几乎一致；高表面张力的墨水速度则具有不均匀性，管壁速度比中心速度低的多， 这种速度差往往会引起喷射墨滴形成卫星墨滴。同时，高表面张力使得墨滴快速颈缩， 形成墨滴体积较小，造成动能不足，引起墨滴在承印物上的欠扩散效应，导致出现不该 有的空白区域。而过低表面张力可能会导致喷嘴浸润过度，使得墨水喷射量减少，造成 初始动能增加，容易引起相邻墨滴在飞行过程中融合，导致墨滴过大。一般而言，理想 的墨水要具有较高的动态表面张力，能以高喷射频率快速回复墨水弯月面，同时具有较 低的静态表面张力以获得良好的浸润性。 2 1 3p h 值 p h 值是衡量酸碱度的值，酸性越强，p h 值越低，反之p h 值越高。酸性太高容易腐 蚀喷头和墨水管道，而碱性太高又会使得电导率增高。因此，一般喷墨墨水都为弱碱性。 2 1 4 电导率 墨水电导率值体现了墨水中盐的含量，电导率过高则易导致墨水在喷嘴处产生结 晶，从而导致喷头堵塞。同时，墨水的导电性会加速损坏电极，影响喷头性能。因此， 对压电喷墨来说，无需墨水具有带电性，电导率应越低越好。 1 3 第2 章压电喷墨的流体动力特性分析 2 1 5 温度特性 墨水特性不仅取决于其自身组分配方，还受到温度较大的影响。由于液体内聚力随 着温度变化而发生变化，因此液体的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高则粘度下降， 温度下降则粘度上升。油墨的粘温特性方程为： l n 刀：彳+ 塑 ( 2 3 ) 。 ? 其中彳墨水特征参数，e r l 为粘性系数，丁为温度。粘度的测量通常采用粘度测量杯、 毛细管式粘度计和旋转式粘度计等设备。作者采用分辨率为l c p 的旋转式粘度计，配合 恒温箱，通过对某喷墨油墨粘度进行测量得到以下数据，见图2 1 。所得数据与式2 3 趋势相符。由此可得，油墨粘度受温度影响较大，特别是低温时粘度与常温下相比增大 较明显。 1 52 53 54 55 5 温度t ( ) 图2 - 1测量所得粘温曲线 而液体表面张力虽然也随着温度升高而降低，但是所受影响较小。市场所用大多喷 墨墨水为水基型或溶剂型，因此借鉴水的温度特性，如表2 - 1 所示。从0 c 升温到6 0 c ， 粘度降低了8 2 ，而表面张力仅降低2 0 ，特别是喷墨印刷机的工作温度2 0 , , - 4 0 c 之间， 粘度降低了3 4 8 ，而表面张力仅降低了4 4 。 1 4 表2 1 水的温度特性 浙江t 业大学硕士学位论文 综上所述，墨水的电导率和p h 值对压电喷墨特性几乎没有影响，但却是延长喷头 寿命的重要参数。而粘度和表面张力对墨水的流动性和墨滴喷射起到重要作用，是决定 喷头性能的关键因素。由于温度变化对墨水的表面张力影响较小，几乎可以忽略，但对 墨水粘度影响较大。而墨水粘度对墨水在墨管中的流动及墨滴喷射过程具有重大影响， 喷墨喷头的正常工作必须以合适的墨水粘度为基础，因此保持油墨合适的工作温度能够 提高墨水稳定性，保证喷墨系统顺畅可靠地工作以及优秀的喷墨质量。 2 2 墨滴成型对喷墨印刷质量的影响 喷墨印刷质量参数主要是印刷分辨率和网点灰度级。分辨率越高，网点灰度级越多， 所得印刷质量就越好 2 3 2 】。 2 2 1分辨率 高质量的喷墨印刷要求对图像颗粒度、细节和清晰度精确控制，这必须以提高喷头 分辨率为前提。分辨率是业界衡量打印质量好坏的最重要指标，指喷射到介质上的离散 墨滴在单位尺寸上的数量，国际上以每英寸内墨滴的点数( d p i ) 来表示，d p i 越大，分 辨率越高。也有喷头厂商如x a a r ，以相邻喷嘴问距来表示分辨率，喷嘴间距越小，分 辨率越高。物理分辨率可以无限提高，但考虑到墨滴体积和墨点问的重合问题，印刷质 量不会提高，甚至下降，因此，要有效提高喷墨印刷分辨率需要足够小的墨滴为前提。 喷墨印刷领域通常以体积作为墨滴尺寸大小的衡量指标，由于墨滴体积极其微小，其单 位以微微升( p 1 ) 计量，l p l = 1 0 。1 2 l 。减小墨滴体积一直都是喷墨打印机厂商在提高印刷 质量方面要着重攻克的技术难题。 2 2 2灰度级 灰度级喷墨打印技术是在传统二值打印基础上发展的一种提高图像质量的技术。如 同显示器屏幕工作方式一样，将打印头自身分辨率与灰度等级相结合，可大幅提高图像 最终显示分辨率，并且得到的图像过渡自然平滑、边缘清晰、颗粒度较小。例如，x a a r 将3 6 0 d p i 的喷头分辨率与1 6 个灰度等级结合，其实际产生效果与1 4 4 0 d p i 的二值打印 值相当，最终分辨率为3 6 0 d p i 与1 6 忱的乘积。灰度打印要求喷头能够产生可变尺寸的 墨滴，通过墨滴尺寸大小、墨量的多少来控制灰度级。常用的灰度打印是基于多重脉冲 驱动技术，如图2 2 所示，墨水受多重脉冲电压驱动时，压电元件发生快速连续的形变， 从喷嘴喷射一系列墨滴。由于相邻墨滴的喷射间隔短，且受空气阻力作用，因而最新喷 1 5 第2 章压电喷墨的流体动力特性分析 出的墨滴和先于它从喷嘴板分离出来的墨滴合并，形成更大体积的墨滴。可见，对灰度 喷射灰度级控制的关键在于喷射墨滴成型的均衡性。只有在保持每个墨滴良好形态和体 积的前提下，合并墨滴体积才能近似于每个小墨滴的线性叠加，得到准确的灰度级图像。 削舛女秽嗍 # l 6 p l 墨滴 4 2 p l 2 4 p l 1 2 p l 墨； 笥墨滴墨筒 图2 2 多脉冲喷射示意图 2 2 3 墨滴成型机理 墨滴的形成有以下几个阶段，如图2 3 所示： 1 ) 墨滴生成阶段：压电致动器产生的压力波传导至喷嘴，使得墨水在喷嘴处形成 一个凸起，受到表面张力影响，液滴在前端凝聚成球形。 2 ) 墨滴断裂阶段：受压力波作用，墨滴克服粘性压力损失和表面张力，从喷嘴喷 出。由于墨滴前端速度快于后端，墨滴越拉越长在表面张力作用下产生射流颈 缩效应，断裂成两部分或更多，前端球形主液滴从中分离脱出。 3 ) 卫星墨滴生成阶段：主墨滴快速前进，断裂的尾墨滴因表面张力由墨带形成小 球体。在一定条件下，尾墨滴断裂后也可能成为更多的较小墨滴，即卫星墨滴。 图2 - 3 墨滴形成过程1 6 】 墨滴形状由于喷射参数，如脉冲频率、电压幅值、墨水管道结构参数及墨水特性的 不同而不同。从饱满的球状墨滴到带有长拖尾条状墨滴，这造成了在承印物上形成墨点 的形状不同，对印刷精度造成影响。由于高速喷墨印刷机的高喷射频率和走纸速度，卫 星墨滴的产生显然是对喷墨质量的极大破坏。首先，卫星墨滴的形成影响主墨滴的喷射 1 6 浙江工业人学硕十学位论文 速度，降低了墨滴飞行的稳定性，导致墨滴在承印物表面定位精确度下降。其次，在相 邻的两个主墨滴间的卫星墨滴，由于速度差的影响，易于其中的一个主墨滴产生融合， 导致墨滴体积增大，速度和动能发生变化，导致墨点定位不准，面积过大