【《压电喷墨墨滴喷射成形过程分析案例》4300字】

压电喷墨墨滴喷射成形过程分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18468压电喷墨墨滴喷射成形过程分析案例 163301.1两相流模型的建立 1318421.2油墨特性对墨滴成形的影响 3203161.2.1流体黏度对墨滴成形的影响 387111.2.2流体表面张力对墨滴成形的影响 4140621.3喷孔结构对墨滴成形的影响 6170101.3.1喷孔直径对墨滴成形的影响 6118821.3.2喷孔形状对墨滴成形的影响 7141831.3.3喷孔厚度对墨滴成形的影响 831821.4小结 9墨滴的成形质量决定着压电喷墨设备的打印质量。因此，本章对墨滴喷射成形的过程进行研究，分析不同条件下墨滴喷射状态随时间变化的情况。在第二章中已经提到墨滴的成形过程主要受结构尺寸参数、油墨特性和驱动信号等因素的影响。本章将不同于以往的相关研究，仅是针对某一单一因素对喷墨系统某一区域进行建模分析，而是通过建立完整的压电喷墨系统模型，对油墨特性和喷孔结构对墨滴喷射成形过程的影响展开深入研究。1.1两相流模型的建立墨滴喷射成形过程的研究是基于完整的压电喷墨打印系统进行建模分析的，如图4-1所示。该模型涉及到了压电域、固体域、流体域和空气域等多个物理场的耦合，边界条件众多且复杂。为了提高工作效率和仿真结果的准确性，本文将该系统模型拆分成三个有限元模型分别进行分析，然后通过添加物理场和边界耦合条件，将三个模型耦合起来组成完整的压电喷墨打印系统模型进行研究，实现了对从驱动信号输入到墨滴喷射成形输出这一完整墨滴喷射成形过程仿真分析。拆分的三个模型分别是压电驱动器模型、压电打印头模型和喷孔两相流模型，呈递进关系。其中前两个模型已在第三章中做了详细介绍，本节主要是针对喷孔两相流模型的建立进行详细介绍。图4-1压电喷墨打印系统模型Figure.4-1Piezoinkjetprintingsystemmodel喷孔两相流模型的研究域是喷孔内部流体域和外界空气域。喷孔确定为旋转对称结构，因此，建立平面的二维模型就可以保证数值计算的准确性。流体和空气是不相溶的两个物理域，对于其耦合面的运动变化，本文采用水平集法来进行研究分析。用水平集函数研究气液耦合面运动变化的方程如下： （4-1）其中是水平集函数，气液界面处=0.5，气体中=0，液体中=1，u是流体速度，ε是过渡层厚度，通常为网格尺寸的一半，γ是流体速度最大值。首先，选择“层流两相流，水平集”模块，建立两相流几何模型。其次是材料的设定，在空材料中设置墨水参数，在材料库中选择空气材料。最后是边界条件的设置，其中，流体入口条件为速度入口，在喷嘴顶部；射流区域出口条件为压力出口，在空气域底部，气液耦合面为初始界面。如图4-2所示为喷孔两相流有限元分析模型及其示意图，其中，两相流模型的喷孔尺寸始终与压电打印头模型的喷孔尺寸一致。在喷孔两相流模型建立完成后，需要将它与压电打印头模型耦合在一起以组成完整的压电喷墨打印系统模型。首先利用打印头模型计算得到的喷孔入口处的流体速度，然后将该速度作为入口边界条件输入到两相流模型中，边界条件设置为层流流入。两个模型在耦合时，压电打印头模型的结构尺寸均为第三章中优化后的结构尺寸，加载的驱动信号为梯形波，驱动电压为20V，得到的喷孔入口处的速度是随时间变化的函数，如图4-3所示。（a）示意图（b）有限元分析模型图4-2喷孔两相流模型Figure.4-2Two-phaseflowmodelofnozzlehole图4-3喷孔入口处流体速度Figure.4-3Fluidvelocityattheentranceofthenozzle1.2油墨特性对墨滴成形的影响第二章从理论角度分析了油墨特性对墨滴喷射特性的影响，本节将在此基础上，通过建立的压电喷墨打印系统模型来进一步分析油墨黏度和表面张力对墨滴成形过程的影响。1.2.1流体黏度对墨滴成形的影响黏度是流体分子间的内聚力，其产生黏滞阻力可阻碍分子间的相互运动。在喷墨过程中，黏滞阻力会加剧腔室内的压力损失，当黏度过大时，腔室内的油墨获得的能量不足以克服黏滞阻力从喷孔喷出，因而堵塞喷孔影响使用。因此有必要选择合适的油墨黏度，使墨滴可以顺利喷射。为了研究油墨黏度对墨滴成形过程的影响，研究了油墨黏度为1mPa·s、5mPa·s、10mPa·s和15mPa·s时墨滴的喷射过程。其中，设置油墨表面张力为50mN/m，驱动电压幅值为20V，仿真结果如图4-4、4-5所示。（a）黏度1mPa·s（b）黏度5mPa·s（c）黏度10mPa·s（d）黏度15mPa·s图4-4黏度对墨滴成形效果的影响Figure.4-4Theinfluenceofviscosityoninkdropformingeffect（a）墨滴飞行速度（b）墨滴体积图4-5黏度与墨滴飞行速度和体积的关系Figure.4-5Therelationshipbetweenviscosityandinkdropletflyingspeedandvolume研究结果表明，油墨黏度为1mPa·s时，产生的液柱最长，并且在墨滴断裂后伴随有卫星墨滴产生。随着黏度增加，液柱长度逐渐缩短，卫星墨滴数量也随之减少。这是由于黏滞力加速了腔室内的能量损耗，造成驱动流体流动的能量不足。因而当流体黏度增加时，流体运动速度减慢，液柱长度缩短，墨滴的飞行速度和体积也相应减小。当黏度为15mPa·s时，由于黏度过大，墨滴无法克服其黏滞力而造成无法喷射。此外，随着油墨黏度的增加，液柱断裂时间会逐渐延长。由图可知，当油墨黏度为1mPa·s、5mPa·s、10mPa·s和15mPa·s时，其断裂时间分别为55μs、60μs、70μs和78μs。因此，油墨黏度的选择要合理，既要保证墨滴能够喷射成形，又要避免产生卫星墨滴。1.2.2流体表面张力对墨滴成形的影响表面张力是指液体表面的分子受其他内部分子吸引而向内收缩的力，它是生成墨滴的必要前提。在喷墨过程中，液柱在流体表面张力的作用下会发生颈缩效应，使墨滴脱离液柱产生单个墨滴。为研究流体表面张力对墨滴成形过程的影响，选择油墨的黏度为5mPa·s，驱动电压幅值为20V，对油墨表面张力分别为10mN/m、40mN/m、73.5mN/m和100mN/m时墨滴的喷射情况进行了研究，仿真结果如图4-6、4-7所示。（a）表面张力10mN/m（b）表面张力40mN/m（c）表面张力73.5mN/m（d）表面张力100mN/m图4-6表面张力对墨滴成形效果的影响Figure.4-6Theinfluenceofsurfacetensiononinkdropformingeffect（a）墨滴飞行速度（b）墨滴体积图4-7表面张力与墨滴飞行速度和体积的关系Figure.4-7Therelationshipbetweensurfacetensionandinkdropletflyingspeedandvolume在表面张力较小的情况下，墨滴不易成形，墨滴拖尾较长，并且易破碎形成卫星墨滴。例如，表面张力为10mN/m时，从墨滴喷射直到200μs，墨滴仍然存在拖尾，没有形成良好的单分散墨滴。随着表面张力继续增大，克服表面张力损耗的能量更多，造成液柱长度缩短，墨滴的飞行速度和体积减小。研究结果表明，在表面张力分别为10mN/m、40mN/m、73.5mN/m和100mN/m时，液柱断裂时间分别为70μs、60μs、55μs和50μs，即随着表面张力增加，液柱颈缩断裂时间逐渐变短。另一方面，墨滴的成形圆度随表面张力的增加逐渐变高，而喷射生成高成形圆度的墨滴是提高喷墨印刷质量的关键。因此，合理的增大表面张力，有利于墨滴的快速形成，避免产生卫星墨滴，提高印品质量。1.3喷孔结构对墨滴成形的影响在上一章中，已根据喷孔处流体速度变化情况对喷孔结构进行了优化分析。本节将在此基础上，从墨滴成形角度来进一步研究喷孔结构对墨滴成形过程的影响。油墨黏度设置为5mPa·s，密度均为1050kg/m3，表面张力均为50mN/m。由方程（2-33）计算可知，该墨水的无量纲常数为Z=9.17，满足2＜Z＜10的墨水喷射要求。1.3.1喷孔直径对墨滴成形的影响在喷墨过程中，流体在喷孔处受到的阻力主要是黏滞力和喷孔摩擦力，它们的大小与喷孔结构（如图3-6所示）密切相关。为研究喷孔直径对墨滴喷射效果的影响，本文仿真计算了喷孔直径为30μm、40μm、50μm和60μm时墨滴的成形过程。加载梯形波驱动信号，驱动电压为30V。数值计算结果如图4-8、4-9所示。（a）喷孔直径30μm（b）喷孔直径40μm（c）喷孔直径50μm（d）喷孔直径60μm图4-8喷孔直径对墨滴喷射效果的影响Figure.4-8Theinfluenceofnozzlediameteroninkdropletejectioneffect.（a）墨滴飞行速度（b）墨滴体积图4-9喷孔直径与墨滴飞行速度和体积的关系Figure.4-9Therelationshipbetweennozzlediameterandinkdropletflyingspeedandvolume.由图4-8可知，随着喷孔直径的增加，液柱的长度逐渐缩短，液柱颈缩断裂时间逐渐延长。这意味着喷孔直径越大，液柱越不容易断裂，最终墨滴成形时间越晚。同时，从图4-9中也可以看到，随着喷孔直径的逐渐增加时，墨滴的飞行速度逐渐减小，墨滴的体积逐渐增大。综合考虑制造工艺难度和打印精度等因素之后，将喷孔直径设定为40μm，与3.1.2节的结论一致。1.3.2喷孔形状对墨滴成形的影响喷孔的形状可分为发散孔、直孔和锥形孔三种类型，如图3-6所示。本节将通过数值仿真来研究喷孔形状对墨滴成形过程的影响。加载梯形波驱动信号，驱动电压为20V，数值计算结果如图4-10所示。由图a可知，在相同驱动条件下，发散孔不能形成墨滴。直孔虽然形成了墨滴，但动力不足，在最后又重新回到了喷孔。而锥形孔则顺利的实现了墨滴的喷射。由图b可知，发散孔和直孔要想达到与锥形孔类似的墨滴喷射效果，发散孔的驱动电压需要达到45V，直孔的驱动电压需要达到30V。即说明要想实现与锥形孔类似的墨滴喷射效果，发散孔和直孔需要更大的驱动力。因此，确定锥形孔是最适合做压电打印头的喷孔，这也与3.1.2节的结论一致。图4-10喷孔形状对墨滴形成过程的影响Figure.4-10Theinfluenceofnozzleshapeontheinkdropformationprocess1.3.3喷孔厚度对墨滴成形的影响在喷孔的直径和形状确定之后，流体在喷孔处受到的阻力将会随喷孔厚度的增加而增大，喷孔结构如图3-5所示。为研究喷孔厚度对墨滴成形过程的影响，本文模拟计算了喷孔厚度为30μm、40μm、50μm、60μm时墨滴的成形过程，加载梯形波驱动信号，驱动电压为20V，数值计算结果如图4-11、4-12所示。由图可知，随着喷孔厚度的增加，液柱长度、墨滴的飞行速度和体积逐渐减小，这是因为喷孔厚度越大，流体在喷孔处受到的阻力越大，消耗的能量越多，流体流速越慢，进而造成墨滴的飞行速度降低，体积减小。另外，当喷孔层厚度较薄时，又容易弯曲变形，造成新的能量损失。因此，为了保证打印速度和精度，本文将喷孔厚度设定为40μm，与3.1.2节的结论一致。（a）喷孔厚度30μm（b）喷孔厚度40μm（c）喷孔厚度50μm（d）喷孔厚度60μm图4-11喷孔厚度对墨滴喷射效果的影响Figure4-11Theinfluenceofnozzleholethicknessoninkdropletejectioneffect（a）墨滴飞行速度（b）墨滴体积图4-12喷孔厚度与墨滴飞行速度和体积的关系Figure4-12Therelationshipbetweenthethicknessofthenozzleholeandtheflyingspeedandvolumeoftheinkdrop1.4小结本章建立了喷孔两相流分模型，并将其与压电打印头模型耦合起来组成了完整的压电喷墨打印系统，探究了油墨特性和喷孔结构等因素对墨滴成形过程的影响，得出以下结论：（1）研究了油墨黏度和表面张力对墨滴成形过程的影响。黏度较小时，形成的液柱长度较长，墨滴的飞行速度和体积较大，同时伴随有卫星墨滴产生，表面张力的效果也类似。当黏度和表面