噴墨打印裝置中液滴噴射過程的仿真研究

任曉飛

關鍵詞：噴墨打??；水平集方法；計算機仿真；液滴動力學

中圖分類號：TP602+ 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-127-04

0 引言

噴墨打印技術由于具有液滴體積小、可控性好、響應快、精度高等優點，在全球數字印刷市場中的占比呈快速增長趨勢。同時，它在各種高科技工藝中的應用前景也非常廣闊，已成為數字成像、印刷電路板和柔性太陽能電池板等行業的關鍵技術[1-3]。在所有這些應用中，液滴的準確沉積對于提高產品質量至關重要[4]。

流體的動力學特性分析可以將噴墨系統的驅動信號、墨水屬性和結構特征等信息與墨滴速度、體積、形態等聯系在一起。因此，研究壓電噴墨打印裝置中液滴形成、噴射和沖擊目標基板的原理，就可以控制液滴的大小，提高液滴的一致性，通過對設備的適當設計并選擇具有適當物理特性的液體，來消除衛星液滴，提高打印質量。目前對噴墨打印的研究可分為兩類：①研究液滴如何形成；②研究液滴如何撞擊到目標基板[6]。Fromm 等人[7]首次以流體動力學為理論基礎計算和分析了噴墨打印過程中液滴形成的流體動力學過程；占紅武等人[8]建立了液滴噴射的動力學模型，模擬不同邊界條件下液滴的生成過程；畢菲菲等人[9]通過觀察液滴撞擊固體表面的形態變化，分析了液滴物理性質對液滴鋪展過程的影響；朱予川[10]研究了墨滴與紙張的相互作用，分析了不同的液體性質對液滴鋪展和滲透的影響。

文獻調研表明，很少有研究能夠模擬噴墨打印的整個過程，包括液滴的形成、噴射和對基板的撞擊。因此，本研究的目的是開發一個計算機輔助分析系統，以研究壓電噴墨打印裝置中的液滴形成、噴射和對基板的撞擊動力學。該系統不僅能夠揭示液滴從形成、噴射，到撞擊的整個動態演變過程，而且能夠評估液體的表面張力、初始速度和動力黏度對液滴大小、飛行速度以及衛星液滴形成的影響。

2 物理模型

噴墨打印是一個非常復雜的過程，涉及壓電、彈性和自由表面流動的耦合。為了簡化問題，并把重點放在液滴噴射的過程，本文考慮用圖1 所示的噴墨打印頭作為模擬系統。最初，入口與噴嘴之間的空間充滿墨水，當施加高電壓信號時，壓電裝置彎曲，對墨室產生高壓，將墨滴噴出噴嘴，直至撞擊目標。圖1 顯示了噴墨打印頭的幾何結構和墨水和空氣的初始分布。其中黑色代表墨水，白色代表空氣。

3 結果和討論

3.1 液體表面張力的影響

為了研究液體表面張力對液滴噴射的影響，首先對表面張力分別為0.01N/m，0.07N/m，0.15N/m 的墨水進行仿真。此時，墨滴在噴嘴處的初始速度為0.50m/s，墨水動力黏度為0.01Pa×s。

圖2～圖4 給出了不同表面張力的墨滴噴射的演化過程。由圖可見，在初始階段，具有不同表面張力的墨滴開始從噴嘴噴射出來。該階段中，表面張力的影響并不明顯。隨后，噴射的墨滴在噴嘴尖端出現縮頸現象。這是由于墨滴不斷向前移動，而噴嘴的墨水停止供應，為了保持墨水和噴嘴之間的平衡，會發生縮頸現象。隨著時間的推進，主墨滴逐漸脫離噴嘴，形成了圓頭細尾的液滴。從圖可以看出，表面張力越大的墨滴頭部越大，尾部越短，而表面張力越小的墨滴尾部越長。這是由于墨滴是由慣性動量主導的，表面張力越小，越不足以將墨滴凝聚在一起。此外，由于墨水與目標基板的黏附作用，墨滴撞擊目標時會向外擴散。

3.2 液滴在噴嘴處初始速度的影響

為了研究液滴在噴嘴處初始速度的影響，此處對噴嘴處初始速度分別為0.35m/s，0.50m/s，0.65m/s 時的情況進行仿真。

圖5 給出了墨水表面張力為0.07N/m，動力黏度為0.01Pa×s 時，不同初始速度條件下，墨滴在不同時刻的形態對比情況。由圖可見，噴嘴處初始速度越大，墨滴在運動過程中越容易產生細長的尾部，到達目標所用時間更短。然而，當墨滴撞擊在目標基板上時，由于撞擊速度不同，其在目標基板上的擴散程度也不同。從圖5（d）可以看出，隨著初始速度的增大，墨滴在目標基板上的擴散程度也變大，這對打印質量有一定的影響。

由此看來，液滴在噴嘴處的初始速度會影響打印機的工作效率和質量。但在噴墨打印技術中，速度和質量往往是相對的，速度變快的同時，打印質量并不一定會提升，甚至可能會下降。因此，合適的初始速度才能使噴墨打印機發揮最好的功效。

3.3 液體動力黏度的影響

為了研究液體動力黏度的影響，此處對墨水動力黏度分別為0.005Pa×s 和0.015Pa×s 的情況進行仿真。此時墨水的表面張力為0.07N/m，墨滴在噴嘴處的初始噴射速度為0.50m/s。

圖6和7給出了動力黏度分別為0.005Pa×s和0.015Pa×s的墨滴演化過程。由圖可見，當動力黏度較低時，墨滴在噴射過程中尾部會發生斷裂，形成衛星滴，并且撞擊到基板上時會造成墨滴的破碎，形成飛濺，從而降低打印質量。

4 結束語

本文開發了一種計算機輔助分析系統來模擬噴墨打印裝置中液滴的形成、噴射和撞擊過程，并對液體表面張力、液滴初始噴射速度以及液體動力黏度的影響進行了分析。結果表明：①表面張力越小的液滴尾部越長，運動速度越快，液滴對目標基板的沖擊速度越大，沖擊時間越短。②液滴在噴嘴處的初始速度越大，打印速度越快。然而，這會導致墨滴撞擊在目標基板上后鋪展范圍增大，甚至發生濺射，從而影響打印質量。③液體黏度降低會導致衛星液滴的形成，并且液滴撞擊在目標基板上會發生飛濺，影響打印質量。本研究能夠為優化噴墨打印裝置從而提高打印質量提供理論依據。