压电式喷墨打印研究

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墨滴从喷嘴口处到墨滴成形包含三个子过程,束流形成、束流断裂、墨滴飞行。在喷墨系统固定的情况下,这三个过程受驱动脉冲和油墨特性控制。驱动脉冲中包含脉冲时间、脉冲电压以及脉冲波形等。本文经过详细理论分析后,通过数值模拟的方法研究了驱动脉冲对墨滴成形的影响。先是研究分析了脉冲时间各分量对喷嘴口压力波变化的影响,再进一步研究分析了喷嘴口压力波对于墨滴成形的影响。综合二者的研究结果,有下述结论:脉冲上升时间tr会在喷墨口处产生负压,影响墨滴成形初期的回吸程度。脉冲上升时间tr越小,回吸的墨水量越多,喷射出的墨滴体积较小。随着tr的增大,喷射出的墨滴体积越大。由于通道长度固定,脉冲停留时间td存在极值。模拟结果显示,墨滴的最终体积和速度均随td的增加而呈现先上升后下降的趋势。脉冲下降时间tf的变化主要是对束流断裂的过程产生影响。当tf增加时,传递到喷嘴口处的负压力较小,对束流产生的回吸力减小,断裂时间长,同时也会使挤出束流的体积和速度相对增加,反之则挤出束流的体积和速度均减小。鉴于低粘度流体在喷墨印刷以及新兴的电子印刷领域有着广泛的应用,故本文参考上述模拟结论,设计实验研究了低粘度流体的粘度特性、驱动脉冲对墨滴成形的影响。从实验观察可知:流体粘度越低,流体的阻尼力越小;低粘度流体条件下,较高的驱动电压会使得挤出的束流较长,较长的束流易受毛细波影响而产生卫星墨滴。墨滴的体积和速度均随着tr和tf的增加而增加,而当td增加时,墨滴的体积和速度的变化是呈先上升后下降的趋势,与模拟相符。之后,本文进一步研究了驱动波形对于低粘度流体下墨滴成形的影响,结果显示采用双脉冲波形进行墨滴喷射时,第二脉冲在上升时间所产生的负压可明显提高喷嘴口处的回吸力,降低束流喷射的长度,进而实现单颗墨滴的喷射状态。最后本文结合实际应用,以低粘度的硝酸银溶液进行脉冲电压控制墨滴喷射过程的实验研究。实验结果显示,脉冲电压的取值存在一个区间,低于下限时墨滴动能不足,无法喷出;超过上限时则挤出的墨滴动能过高,卫星墨滴的速度会小于主墨滴速度,从而产生卫星墨滴。
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