壓電式噴頭的原理及其應用探究

謝亞篤

【摘 要】為滿足現代3D行業對打印產品質量以及打印效率的各項要求，行業內專業人士開始對打印噴墨系統，尤其是壓電式噴頭展開了深度研究。為明確壓電式噴頭的原理，掌握正確的設備運用方式，本文將以PQ系列壓電式噴頭為例，對壓電式噴頭工作原理與應用展開全面探究，期望能夠為壓電式噴頭的使用提供一定啟示與幫助。

【關鍵詞】壓電式噴頭;PQ系列;工作原理;機械運動

中圖分類號： TS194.373文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）05-0096-002

經過長期使用發現，壓電式噴頭具有工作壽命長、性能穩定等方面優勢，在3D打印過程中有著不可忽視的作用與價值，在圖像輸出設備中有著極為廣泛的應用。為對壓電式噴頭展開更加全面的探究，掌握噴頭工作原理，研究人員首先應對PQ系列壓電式噴頭進行基本了解。

1 PQ系列壓電式噴頭

PQ系列壓電式噴頭，即美國北極星噴頭。該噴頭是美國廠家生產的精密儀器設備，屬于高光譜描繪功用噴墨打印頭，分辨率可以達到1000dpi，點火頻率可控，最高可以達到50KHz，在UV寬幅打印機以及相關打印機設備中應用表現極為出色。同時每組噴頭最多有4條進墨通道，保證每個噴頭墨水供應充足、穩定。溫度傳感器以及加熱器可實現對墨水粘度溫度進行有效的控制，能夠保證墨水噴發溫度在60℃左右。北極星噴頭的電接口包括電連接和插腳引線，以及驅動器芯片模塊（DCM），DCM設計用于單片北極星256噴嘴PZT模塊，模塊施加的正激勵脈沖可達150V。北極星DCM由一塊多層主印刷電路板部件構成，印刷電路板額定厚度1.0mm（0.040英寸），制造材料為UL94V-0等級玻璃纖維。北極星噴頭在使用過程中可能會出現斷墨的情況，打印前打印測試紙正常但是打一會圖片再打印測試紙有斷墨的現象，清洗壓墨后又正常噴墨，打一會還是斷。

2 壓電式噴頭原理

（1）北極星噴頭壓電晶體的主要材質為PZT（鋯鈦酸鉛），它是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，具有鈣鈦礦型結構。PbTiO3和PbZrO3是鐵電體和反鐵電體的典型代表，因為Zr和Ti屬于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空間點陣形式，但兩者的宏觀特性卻有很大的差異，鈦酸鉛為鐵電體，其居里溫度為492℃，而鋯酸鉛卻是反鐵電體，居里溫度為232℃，如此大的差異引起了人們的廣泛關注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶體后發現PZT具有比其它鐵電體更優良的壓電和介電性能，PZT以及摻雜的PZT系列 鐵電陶瓷成為近些年研究的焦點。壓電晶體特性主要體現在兩點：（1）晶體在外力作用下發生變形之后，會釋放一定量的電荷進而產生電壓，打火機點火就是較為典型的壓電晶體在外力作用下放電的例子;（2）當向壓電晶體施加一定量電壓時，晶體會出現變形現象，將這一特性應用到噴頭中，便會形成壓電式噴頭[1]。

（2）壓電式噴頭是指在已經完成設計的結構中，通過外加電壓的方式使壓電晶體變形，使結構內液體儲存裝置體積發生改變，內部流體從固定孔中流出，從而完成墨滴噴射任務。在具體操作過程中，外加電壓大小以及波形的不同，會對壓電晶體變形方式產生直接影響，從而影響噴墨速度和墨滴大小。

（3）通常每個壓電噴頭都是由上百個噴嘴所組成的，在進行噴頭生產時，可能會因為壓電晶體自身特性或加工誤差，而造成噴嘴噴出墨點性能存在差異[2]。墨點誤差主要包括墨點運動軌跡誤差以及墨滴量誤差等，一但誤差形成，便會對打印過程噴墨的效果產生影響，除此之外，噴頭的安裝精度以及打印頭安裝底板的設計對噴墨的質量也有很大的影響。因此，在進行打印頭設計及安裝過程中，需要做好影響因素的控制，以保障最終打印產品的質量。

3 供墨

建立一個高效和實用的供墨系統對于提高打印頭的性能是至關重要的，與各種噴射液的長期相容性有助于各種各樣的應用都可獲得可靠的打印結果。打印頭在導入任何噴射液之前，要先沖洗其噴墨系統，如果忽略掉這一步驟，則會引起不必要的問題。

4 應用

4.1 機械傳動誤差分析

機械運動誤差主要分為兩種，一種是噴頭在進行橫移過程中所產生的周期性傳動誤差，另一種是制造公差。在兩種誤差中，傳動誤差通常會和RIP周期性形成重合共振的狀況，會對設備使用形成較大影響，需要進行控制。

4.2 打印質量提升措施

為保證最終打印產品的質量，可通過以下幾種措施，提升打印質量：（1）合理選擇頻率，要以噴頭工作頻率為原則，但也要考慮產品的強度，頻率越低，噴墨量越小，強度越低;（2）科學選擇分辨率，分辨率決定了打印方向相鄰兩個墨滴的距離，分辨率的選擇會對打印用墨量以及打印速度產生直接影響，分辨率的高低程度與打印速度成反關系，與用墨量成正比關系，所以操作人員要按照實際打印需要與成本控制要求，選擇合適的分辨率;（3）控制噴頭與介質的距離，確保其能夠盡量靠近打印介質表面。打印過程中單個墨滴離開噴孔后的運動實際是拋物線運動，噴頭與介質距離越近，墨滴落到介質上的時間就越短，墨滴在打印方向由于慣性運動發生的偏移量就越小，從而相鄰2PASS對接處的偏差越小。

4.3 噴頭工作電壓與頻率

噴頭無法單獨作業，需要在驅動電壓與頻率的作用下實現噴墨打印。通常噴頭工作頻率與打印速度呈正比關系，但在噴頭內部液體影響下，噴頭打印頻率無法達到預期目標，會受到一定程度的限制。

噴頭打印電壓幅值會對壓電晶體電壓形成直接作用，幅值越大，晶體變形程度也會越高。一般打印電壓都可以達到110V左右，在進行波形設計時，需要注意高電壓下降沿、上升沿斜率，應利用穩定時間對電壓振蕩進行穩定，以保證每個墨滴的速度、體積符合要求，從而保證打印產品的質量。

5 結束語

鑒于壓電式噴頭在使用過程中的諸多問題，在以后的工作中還應加大對壓電式噴頭的研究力度。在了解噴頭工作原理與基本情況的基礎上，對其應用展開進一步研究與分析，從而解決實際問題，提高打印產品質量。由于時間限制，本文所介紹壓電式噴頭內容并不全面，應用部分內容也未必適合所有噴頭，只希望可以起到拋磚引玉的作用。

【參考文獻】

[1]魏振先，魏修亭，郭翠平，等.收縮管型壓電式噴頭微滴噴射仿真及實驗研究[J].現代制造工程，2017（12）：96-100.

[2]李勇，孔春偉，何繼愛，等.剪切型壓電噴頭驅動電源的設計與實現[J].電子技術應用，2016，42（8）：148-153.

[3]蔡錦達，李翔，姚尚金.組合式壓電噴頭制備生物芯片的方法研究[J].包裝工程，2016（11）：190-194.