【《墨滴的喷射成形过程分析》2700字】

墨滴的喷射成形过程分析目录TOC\o"1-3"\h\u10667墨滴的喷射成形过程分析 1230451.1油墨特性对墨滴喷射的影响 150791.2弯曲式压电喷墨中墨滴的喷射成形过程 2在上文中主要是对墨滴喷射过程中腔室内部的液体流动情况进行了分析，而在腔室外面液体是如何形成墨滴的这一过程并没有进行分析。另外，通过研究发现，在液体从喷孔喷出后，表面张力和黏度等这些油墨的固有特性就成了影响墨滴成形过程的主要因素。因此本节将主要针对油墨的固有特性进行研究，并详细介绍压电喷墨中墨滴的具体喷射成形过程。1.1油墨特性对墨滴喷射的影响在流体力学中，一般用雷诺数（Re）、韦伯数（We）及奥内佐格数（Oh）三个无量纲常数来表示流体性能[79]。其中雷诺数（Re）是判断流体流动是层流状态还是紊流状态的依据，它表示流体中惯性力和黏性力之间的比率。当雷诺数较小时，流体有较大的黏性力，能够抑制外界扰动，流体流动稳定，为层流状态。当雷诺数较大时，此时的黏性力不足以抑制外界的扰动，流体流动不再稳定，转为紊流状态。它的表达式如下： （2-30）式中：ρ——流体密度；d——喷孔直径；μ——流体V——流体流速。韦伯数是衡量流体惯性力和表面张力相对重要性的衡量指标。韦伯数越小说明表面张力越重要，反之，惯性力越重要。它的表达式如下： （2-31）式中：σ——流体表面张力；不管是雷诺数还是韦伯数都仅是体现了流体的部分特性，而奥内佐格数则是将二者结合起来，综合阐述流体黏滞力、惯性力及表面张力影响，它的表达式如下： （2-32）在实际研究过程中，研究者们通常用奥内佐格数的倒数Z来分析油墨的喷射特性，它的表达式如下： （2-33）Fromm等研究学者基于完全不可压流动方程的数值分析，预测只有当Z＞2时，按需喷墨设备才能稳定的喷射墨滴[23]。当无量纲数Z过小时，墨滴会因黏性阻力过大而无法喷射。而Z值过大则会降低墨滴喷射的稳定性，并伴随有卫星墨滴产生。后来Reis和Derby等人利用计算流体动力学模型模拟了墨滴形成的自由表面流动特性，并结合实验探讨了流体特性对喷墨过程的影响，最终确定可打印流体的无量纲数Z应该在1到10之间。研究还发现，无量纲数Z的下限与流体黏度密切相关，而上限则取决于卫星墨滴的成形与否。Jang等人在此基础上，综合考虑众多因素之后，重新确定可打印流体的Z值范围为4＜Z＜14[49]。Stow.C.D等人利用韦伯数We重点分析了表面张力对墨滴喷射成形过程的影响。他们发现当We<4时，流体表面张力较大，无法从喷孔喷出形成墨滴。当We>50时，表面张力较小，流体喷射不稳定且伴随有大量卫星墨滴产生[80]。根据以上的分析可知，油墨特性对墨滴喷射过程具有重要影响，通过控制雷诺数Re和韦伯数We可以提高压电喷墨设备的打印质量。雷诺数和韦伯数对墨滴喷射成形过程的影响如图2-7所示，其中白色部分为适合墨滴喷射的参数范围。图2-7雷诺数和韦伯数对墨滴喷射成形过程的影响Figure.2-7TheinfluenceofReynoldsnumberandWebernumberontheinkdropletejectionformingprocess1.2弯曲式压电喷墨中墨滴的喷射成形过程通过前几节的研究分析可知，墨滴的喷射成形过程是一个复杂的流体过程，易受到打印头结构、驱动参数和油墨特性等因素的影响。因此在本节中，将会对弯曲式压电喷墨中墨滴喷射成形的具体过程进行详细介绍，并对这些因素所起的作用进行简要说明。墨滴的喷射成形过程根据其不同时刻的不同特征可以细分为初始阶段、液柱生成拉伸阶段、液柱颈缩断裂阶段和液柱成球飞行阶段四个阶段，如图2-8、2-9所示分别为弯曲式压电喷墨打印头的喷墨过程和墨滴成形过程。初始阶段：该阶段对应的是图2-8（a），因为没有任何驱动信号加载在压电驱动器上，所以此时的压电驱动器没有产生形变，腔室内的液体也没有发生运动，整个压电打印头都处在平衡状态。液柱生成拉伸阶段：该阶段对应的是图2-8（b）、（c）和图2-9中5µs-35µs时刻，此时在压电驱动器上加载了梯形驱动信号。根据波传导理论可知，在电压上升阶段，压电驱动器会在驱动信号的作用下向上弯曲变形，造成压力腔室的体积增大产生负压；在电压保持阶段，驱动器位移达到最大并保持不变，且不再产生新的压力波，电压上升阶段产生的负压会向腔室两边移动，在喷孔处形成凹液面，在供墨腔室处吸入液体，如图2-8（b）和图2-9中5µs时刻所示；在电压下降阶段，压电驱动器的形变开始减小并逐渐回到初始位置，压力腔室的体积也随之减小产生正压，将腔室内的墨水挤出喷孔形成液柱，并在压力的作用下逐渐增长，如图2-8（c）和图2-9中15µs至35µs时刻所示。图2-8压电喷墨打印头的工作原理Figure.2-8Theworkingprincipleofpiezoelectricinkjetprinthead图2-9墨滴的形成过程Figure.2-9Theformationprocessofinkdroplets液柱颈缩断裂阶段：该阶段对应的是图2-8（d）和图2-9中35µs-55µs时刻。此时驱动电压归零，压电驱动器回到初始位置，腔室内不再产生新的压力波，仅剩的残余压力波也在液体黏滞力的作用下逐渐衰减，喷孔处的流体因受到的压力逐渐减小其速度开始逐渐降低。但与之相反，已从喷孔处喷出的液柱在惯性的作用下其速度却逐渐上升，这就导致液柱与喷孔处的液体之间产生速度差，再加上液体黏滞力和表面张力的作用，液柱尾端开始出现颈缩现象，如图2-9中45µs时刻所示。随着时间的推移，残余压力波经过反射后变成负压传播到喷孔处，致使喷孔出口附近的液体在负压的作用下发生回缩现象，进而使液柱两端速度差进一步加大，最终导致液柱在颈缩处发生断裂，形成头部为球形的射流，如图2-9中55µs时刻所示。液柱成球飞行阶段：该阶段对应的是图2-9中55µs-150µs时刻。由于液柱头尾两端存在速度差，所以液柱自喷孔处断裂后，会逐渐形成有较长拖尾的头端为球形的射流。其中射流头端形成的墨滴称为主墨滴，射流拖尾形成的墨滴称为卫星墨滴。在此阶段，墨滴的成形过程一般可以分为三种情况：第一种是无卫星墨滴产生情况。在表面张力的作用下，射流拖尾没有发生二次断裂，而是迅速向射流头端收缩，最终形成单一墨滴，如图2-9所示，这也是最为理想的墨滴成形情况。第二种是有卫星墨滴产生，但最终与主墨滴合并情况。射流拖尾发生了二次断裂且形成了卫星墨滴，但主墨滴与卫星墨滴间距较短，由于空气阻力的影响，墨滴的飞行速度会变慢，并且体积越大受到的空气阻力影响越大。因此，墨滴飞行一段时间之后，二者最终会合并为一个墨滴。第三种是同样产生了卫星墨滴，但最终没有和主墨滴合并的情况。该情况产生的因为在于卫星墨滴与主墨滴之间存在较大的速度差，在有限的飞行距离内无法合并，最终由于速度和体积的差异导致卫星墨滴与主墨滴到达承印物的位置不同，从而降低了喷