【《压电喷墨打印头结构的优化分析案例》5600字】

压电喷墨打印头结构的优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18621压电喷墨打印头结构的优化分析案例 1115651.1有限元数值模拟软件介绍 130111.2有限元模型的建立 2196481.2.1压电驱动器模型的建立 2128581.2.2压电喷墨打印头模型的建立 331781.3驱动信号形状的选择及其对驱动器位移的影响 446541.4流体通道结构的优化分析 5264591.4.1压力腔室结构的优化分析 525821.4.2喷孔尺寸的优化分析 6312451.4.3限流部结构尺寸设计 894441.5小结 9压电喷墨打印头是基于微机电系统工艺（MEMS）制造的产品，其结构精密且复杂，制造工艺步骤繁多。目前，能够大规模商业化生产的压电打印头价格都比较昂贵，且核心技术大都掌握在国外公司手中。因此，国内在压电喷墨打印技术的研发过程中，出于降低成本和加快研究进展的考虑，普遍采用了数值模拟技术。使用数值模拟技术的好处就是既可以对理论研究结果进行初步验证，又可以预测实验分析的结果，在避免浪费的同时又可以对实验设计方案进行优化和改进。本章就是通过数值模拟对压电喷墨打印头结构进行优化设1.1有限元数值模拟软件介绍有限元分析方法是用于解决复杂问题的数值计算方法，，因其高效便捷的优势被广泛应用于各种工程设计和项目科研当中。它是以划分网格的形式，将一个复杂的连续的无限自由度问题分割为简单的离散的有限自由度问题，从而降低求解难度，缩短求解时间，提升求解精度。COMSOL

Multiphysics（以下简称COMSOL）是基于有限元数值计算理论设计的仿真分析软件。其优点是计算速度快、模拟精度高、求解算法丰富并且具有强大的多物理场耦合分析能力。此外，它还能与Pro/ENGINEER、AutoCAD、SOLIDWORKS等软件实时连接，使得建模求解过程方便又快捷。现在该软件已被广泛应用于生物科学、电磁学、微系统、流体力学、光学、声学、量子力学和结构力学等领域的科学研究和工程实践中。压电喷墨过程涉及到压电域、固体域、流体域和气液两相流等多物理场的耦合。因此，为了提高工作效率和仿真结果的准确性，在进行数值分析时，将压电喷墨打印系统拆分成三个有限元分析模型，先就某一单独模型进行仿真分析，再通过添加边界条件和物理场的方式逐步开始整体研究。利用COMSOL进行建模分析的过程如下：（1）明确仿真对象的基本信息，如几何结构、材料属性和边界条件等；（2）设定参数，建立几何模型。（3）从材料库选择或自定义模型各组成部分的材料特性；（4）选择物理场，设置边界条件和约束条件；（5）划分网格；（6）设置求解器，开始数值计算；（7）整理研究计算结果。1.2有限元模型的建立1.2.1压电驱动器模型的建立压电驱动器是压电喷墨设备的核心部件，其在压电喷墨过程中起着至关重要的作用。由压电喷墨打印头的工作原理可知，当在压电元件的上下电极间加载驱动信号后，压电驱动器会发生形变造成墨水腔室体积发生变化，产生压力波在打印头内传播、叠加和反射，当加强后的正压力波到达喷孔时，喷孔处的墨水就会在压力的作用下喷射出来，并在墨水黏度和表面张力的作用下逐渐收缩形成墨滴。由此可知，压电驱动器驱动性能的高低对墨滴喷射特性有着重要影响，而驱动性能又与其结构尺寸参数和驱动信号参数密切相关。因此，为了保证压电驱动器具有较好的驱动能力，必须要对其各部分结构尺寸和驱动信号进行优化分析。本文利用Comsol软件建立了压电驱动器的有限元分析模型，如图3-1所示。该模型耦合了静电场和固体力学场，其结构主要由SiO2振动板、PZT压电薄膜和Parylene保护膜等组成。考虑到铂电极相较于其他部分厚度较小，几乎不影响驱动器的位移，所以建模时将其省略，直接将驱动信号施加在PZT压电薄膜上表面，同时下表面接地。在设置材料属性时，选择LeadZirconateTitanate-5H（PZT-5H）为压电薄膜材料，其密度是7450kg/m3，泊松比是0.36，弹性模量是56GPa；SiO2振动板和Parylene保护层的密度分别是2200kg/m3和1150kg/m3；泊松比分别为0.17和0.4；弹性模量分别为85.99GPa和1.2GPa。本课题组其他人已在压电驱动器的结构优化方面进行了深入研究，并得到了一组最优值，如表3-1所示。本文沿用了这一结果作为压电驱动器模型的结构尺寸参数。表3-1压电驱动器各部分尺寸参数Table.3-1Dimensionalparametersofeachpartofthepiezoelectricdriver名称尺寸（μm）SiO2振动板长、宽、厚1000、140、1PZT压电薄膜长、宽、厚1000、100、0.9Parylene保护层长、宽、厚1000、140、0.7图3-1压电驱动器数值仿真模型Figure.3-1Numericalsimulationmodelofpiezoelectricactuator在划分网格时，由于Parylene保护层、PZT压电薄膜和SiO2振动板的长宽尺寸较大，厚度尺寸相对较小。因此，利用“缩放几何”功能，在长宽方向按1∶1比例划分，厚度方向按1∶5比例划分。为了同时保证计算精度和速度，将网格类型选为“自由四面体”，尺寸选为“较细化”，边界条件设为“四周固定约束”。1.2.2压电喷墨打印头模型的建立压电打印头模型是基于压电驱动器模型建立的有限元分析模型，涉及到了压电域、固体域和流体域等三个物理场的耦合，其主要由供墨腔室、限流部、压力腔室和喷孔等部分组成，如图3-2所示。由于腔室内流体流速较小，雷诺数较低，因此流体域选择层流物理场。在设置边界条件时，将压力腔室侧面设置为刚性侧壁，因为喷嘴出口和供墨腔室入口与外界直接相通，因此将其设置为开放边界。压电驱动器与压力腔室的交界面设置为流固耦合面，这样可以实现两个物理场间的数据传递。此外，使用“移动网格（ALE）”方法来处理固液耦合面的变化情况。图3-2压电喷墨打印头数值仿真模型Figure.3-2Numericalsimulationmodelofpiezoelectricinkjetprinthead不可压缩流体的连续方程和纳维-斯托克斯（N-S）方程是压电打印头内流体模拟分析的基础。不可压缩流体的连续方程如下： （3-1）式中：∇——哈密顿算子；u——流体速度。不可压缩流体的纳维-斯托克斯(N-S)方程如下： （3-2）式中：ρ——流体密度；P——流体压力；μ——流体F——单位质量液体受到的体积力.仿真过程中使用的墨水密度、黏度和表面张力依次为1050kg/m3，2mPa·s，0.045N/m。1.3驱动信号形状的选择及其对驱动器位移的影响在压电驱动器的各部分尺寸参数确定之后，其驱动性能就仅受驱动信号的控制。因此，在本节中，以压电驱动器位移作为衡量其驱动性能的指标，对驱动信号形状进行优化分析。压电驱动器的驱动信号按形状通常可以分为矩形波、正弦波、三角波和梯形波四种类型，而驱动信号类型不同相应的压电驱动器的形变状态和位移也不同。理想的驱动信号类型应该满足以下几个要求：首先，能够保证压电驱动器提供足够的驱动力使墨滴喷射；其次，还应具有较高的响应速度、较小的残余振动和易于控制等特点。在本节中，为选择出理想的驱动信号形状，仿真分析了驱动信号形状对压电驱动器振动位移的影响。保持压电驱动器的结构尺寸不变，仅改变加载的驱动信号形状，驱动电压均为30V，占空比设定为30%，周期为100µs。将不同类型的驱动信号施加到压电驱动器上，数值计算之后，提取出不同驱动信号形状对应的压电驱动器位移的最大值，如表3-2所示。表3-2不同驱动信号形状对应的驱动器位移最大值Table.3-2Maximumdrivedisplacementcorrespondingtodifferentdrivesignalshapes波形矩形波正弦波三角波梯形波位移（nm）981.7571.28582.38598.69从表3-2可以看出，在相同驱动电压条件下，矩形波下的驱动器位移峰值最大，梯形波次之，正弦波最小。结合本课题组其他人的研究成果，本文最终确定驱动信号形状为梯形波。这是因为尽管矩形波的位移峰值最大，但它的具有较大的残余振动且位移曲线波动较大，墨滴可控性差，易产生卫星墨滴。正弦波和三角波则是因为驱动力不足，可调参数少，不利于墨滴的喷射控制。而梯形波完美避免了其他三个波形的缺点，梯形波下的驱动器振动位移大，运动平稳，残余振荡小，在保证能为墨滴喷射提供足够驱动力的同时，其较多的可调参数也使墨滴喷射过程的可控性大大提高。1.4流体通道结构的优化分析在压电喷墨过程中，流体通道结构尺寸的影响主要体现在对流体流速的影响。因此，本节以喷孔处流体速度为衡量指标，对压力腔室、喷孔和限流部的结构尺寸进行优化设计。1.4.1压力腔室结构的优化分析研究发现，压力腔室的长度和宽度与压电驱动器的长度和宽度密切相关。通常情况下，压力腔室的长度与压电驱动器等长，宽度比驱动器略宽一点。利用已确定的压电驱动器各结构尺寸，本文设置压力腔室的长度和宽度分别为1000μm和160μm，然后对压力腔室的高度参数进行优化分析。图3-3所示为压电喷墨打印头模型的三视图。图3-3压电打印头模型的三视图Figure.3-3Threeviewsofthepiezoelectricprintheadmodel在压力腔室长宽不变的情况下，高度越高体积越大，相应的储存墨水越多，但较高的腔室高度会增加能量的损耗，使腔室内的流体流速降低。设置高度参数的取值范围为90μm~150μm，步长为10μm，驱动电压为20V，周期为100μs进行仿真分析，通过数值计算得到了腔室高度与喷孔处流体速度峰值的关系曲线，如图3-4所示。由图可知，随着腔室高度的增加，喷孔处的流体速度先增大后减小，在腔室高度超过110μm时流体速度变化开始变缓，在140μm时达到最大。考虑到腔室越高，制作成本越大，越不利于打印头结构的小型化，本文将腔室高度确定为110μm。3-4腔室高度与喷孔处流体速度关系Figure.3-4Therelationshipbetweentheheightofthechamberandthefluidvelocityatthenozzlehole1.4.2喷孔尺寸的优化分析（1）喷孔直径对喷孔处流体速度的影响流体在流经喷孔时，易受流体黏滞力和喷孔内壁摩擦力的影响，其大小与喷孔结构密切相关。如图3-5所示为喷墨打印头喷孔示意图，其中，喷孔直径为等效直径，其长度=喷孔周长/π。本文仿真分析了喷孔直径对流体速度的影响。模拟过程中保持其他参数不变，仅改变喷孔直径，直径取值范围为30~60μm，步长为5μm，通过数值计算得到了喷孔直径与喷孔处流体速度峰值关系曲线，如图3-6所示。从图中可以看出，在相同驱动电压下，随着喷孔直径的增加，喷孔处的流体流速逐渐减小。此外，当喷孔直径增加时，喷射的墨滴直径也会增加。综合考虑制作工艺和对墨滴体积的要求，本文将喷孔直径定为40μm。图3-5喷墨打印头喷孔示意图Fig.3-5Schematicdiagramofjetnozzleofinkjetprintinghead图3-6喷孔直径与喷孔处流体速度关系Fig.3-6Relationshipbetweenorificediameterandfluidvelocityatorifice（2）喷孔形状对喷孔处流体速度的影响喷孔形状的选择标准应该是能够使墨滴稳定快速的从喷孔喷射出去。本节通过仿真分析了喷孔形状对流体速度的影响。将喷孔靠近腔室的一侧直径定义为内径D，另一侧定义为外径d。喷孔的形状一般可以分为三类：发散孔（内径D<外径d，都写为这种形式）、内径D等于外径d的为直孔；内径D大于外径d的为锥形孔，如图3-7所示。本文选择喷孔外径为上文中确定的40μm，调整喷孔内径D即可得到喷孔形状对流体速度的影响，从而确定哪种类型的喷孔最适合。喷孔内径D的取值范围设置为20μm~60μm，步长为10μm，随着喷孔内径的增加，喷孔类型实现了从发散孔到直孔再到锥形孔的转变。通过数值计算完得到喷孔内径与喷孔处流体速度峰值关系曲线，如图3-8所示。从图中可以看出，喷孔处流体流速随喷孔内径的增加而增加。在驱动条件一定时，发散孔的流体速度最小，直孔次之，锥形孔最大。因此，最终确定喷孔形状为锥形孔，喷孔内径为50μm。图3-7喷墨打印头喷孔类型示意图Figure.3-7Schematicdiagramofnozzletypeofinkjetprinthead图3-8喷孔内径与喷孔处流体速度关系Fig.3-8Relationshipbetweennozzleinnerdiameterandfluidvelocityatnozzle（3）喷孔厚度对喷孔处流体速度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大小就仅与喷孔厚度有关。本文仿真分析了喷孔厚度对喷孔处流体速度的影响。仿真过程中，喷孔内径和外径为上文确定的50μm、40μm，其他条件不变，喷孔厚度的其取值范围设置为30μm~70μm，步长为10μm。数值计算得到如图3-9所示为喷孔厚度与喷孔处流体速度峰值关系曲线。由图可知，随着喷孔厚度逐渐增加，喷孔处流体速度逐渐减小。这说明喷孔厚度越大，流体在流经喷孔时受到的阻力越大，消耗的能量也越多，因而流体流速越小。值得注意的是，尽管喷孔层厚度越小流体速度越快，但喷孔层厚度也不是越小越好。当其厚度较小时，其刚度也较小，在流体压力的作用下易弯曲变形，造成能量损失，同样使流体流速降低。因此，本文将喷孔厚度设定为40μm。图3-9喷孔厚度与喷孔处流体速度关系Fig.3-9Relationshipbetweenorificethicknessandfluidvelocityatorifice1.4.3限流部结构尺寸设计限流部是流体通道的重要组成部分之一，在压电喷墨过程中起着关键的作用。一方面，在喷射墨滴前，它要为压力腔室提供足量的墨水；另一方面，在喷射墨滴时，它还要阻止压力腔室内的墨水回流至供墨腔。在喷墨阶段，如果有大量墨水回流至供墨腔就会造成压力腔室内部能量的损失，进而影响墨滴的喷射效果。因此，限流部的设计目标就是：在充墨阶段，墨水可以很顺利的从供墨腔室流入压力腔室，快速完成充墨；在喷墨阶段，墨水则不易从压力腔室回流至供墨腔室，保证墨滴的正常喷射。为了实现这个目标，本文将限流部的两端设计成突扩突缩结构和渐扩渐缩结构，如图3-10所示。图3-10限流部结构简图Fig.3-10Schematicdiagramofthecurrentlimitingpart该结构的优点是墨水经限流部流入压力腔室的阻力小于墨水经限流部流出压力腔室的阻力。另外，根据Kim等人[81]的研究可知，要想使墨水更好的充填和喷射，限流