噴墨打印裝置中液滴噴射過程的仿真研究

任曉飛

關(guān)鍵詞：噴墨打印；水平集方法；計(jì)算機(jī)仿真；液滴動(dòng)力學(xué)

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

0 引言

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

流體的動(dòng)力學(xué)特性分析可以將噴墨系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號、墨水屬性和結(jié)構(gòu)特征等信息與墨滴速度、體積、形態(tài)等聯(lián)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(biāo)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(shè)備的適當(dāng)設(shè)計(jì)并選擇具有適當(dāng)物理特性的液體，來消除衛(wèi)星液滴，提高打印質(zhì)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(biāo)基板[6]。Fromm 等人[7]首次以流體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)計(jì)算和分析了噴墨打印過程中液滴形成的流體動(dòng)力學(xué)過程；占紅武等人[8]建立了液滴噴射的動(dòng)力學(xué)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(tài)變化，分析了液滴物理性質(zhì)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(zhì)對液滴鋪展和滲透的影響。

文獻(xiàn)調(diào)研表明，很少有研究能夠模擬噴墨打印的整個(gè)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(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)，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(dòng)力學(xué)。該系統(tǒng)不僅能夠揭示液滴從形成、噴射，到撞擊的整個(gè)動(dòng)態(tài)演變過程，而且能夠評估液體的表面張力、初始速度和動(dòng)力黏度對液滴大小、飛行速度以及衛(wèi)星液滴形成的影響。

2 物理模型

噴墨打印是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及壓電、彈性和自由表面流動(dòng)的耦合。為了簡化問題，并把重點(diǎn)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(tǒng)。最初，入口與噴嘴之間的空間充滿墨水，當(dāng)施加高電壓信號時(shí)，壓電裝置彎曲，對墨室產(chǎn)生高壓，將墨滴噴出噴嘴，直至撞擊目標(biāo)。圖1 顯示了噴墨打印頭的幾何結(jié)構(gòu)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(jié)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(jìn)行仿真。此時(shí)，墨滴在噴嘴處的初始速度為0.50m/s，墨水動(dòng)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(xiàn)縮頸現(xiàn)象。這是由于墨滴不斷向前移動(dòng)，而噴嘴的墨水停止供應(yīng)，為了保持墨水和噴嘴之間的平衡，會(huì)發(fā)生縮頸現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推進(jìn)，主墨滴逐漸脫離噴嘴，形成了圓頭細(xì)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(dòng)量主導(dǎo)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(biāo)基板的黏附作用，墨滴撞擊目標(biāo)時(shí)會(huì)向外擴(kuò)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(shí)的情況進(jìn)行仿真。

圖5 給出了墨水表面張力為0.07N/m，動(dòng)力黏度為0.01Pa×s 時(shí)，不同初始速度條件下，墨滴在不同時(shí)刻的形態(tài)對比情況。由圖可見，噴嘴處初始速度越大，墨滴在運(yùn)動(dòng)過程中越容易產(chǎn)生細(xì)長的尾部，到達(dá)目標(biāo)所用時(shí)間更短。然而，當(dāng)墨滴撞擊在目標(biāo)基板上時(shí)，由于撞擊速度不同，其在目標(biāo)基板上的擴(kuò)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(biāo)基板上的擴(kuò)散程度也變大，這對打印質(zhì)量有一定的影響。

由此看來，液滴在噴嘴處的初始速度會(huì)影響打印機(jī)的工作效率和質(zhì)量。但在噴墨打印技術(shù)中，速度和質(zhì)量往往是相對的，速度變快的同時(shí)，打印質(zhì)量并不一定會(huì)提升，甚至可能會(huì)下降。因此，合適的初始速度才能使噴墨打印機(jī)發(fā)揮最好的功效。

3.3 液體動(dòng)力黏度的影響

為了研究液體動(dòng)力黏度的影響，此處對墨水動(dòng)力黏度分別為0.005Pa×s 和0.015Pa×s 的情況進(jìn)行仿真。此時(shí)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(dòng)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(dāng)動(dòng)力黏度較低時(shí)，墨滴在噴射過程中尾部會(huì)發(fā)生斷裂，形成衛(wèi)星滴，并且撞擊到基板上時(shí)會(huì)造成墨滴的破碎，形成飛濺，從而降低打印質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)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(dòng)力黏度的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：①表面張力越小的液滴尾部越長，運(yùn)動(dòng)速度越快，液滴對目標(biāo)基板的沖擊速度越大，沖擊時(shí)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(huì)導(dǎo)致墨滴撞擊在目標(biāo)基板上后鋪展范圍增大，甚至發(fā)生濺射，從而影響打印質(zhì)量。③液體黏度降低會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星液滴的形成，并且液滴撞擊在目標(biāo)基板上會(huì)發(fā)生飛濺，影響打印質(zhì)量。本研究能夠?yàn)閮?yōu)化噴墨打印裝置從而提高打印質(zhì)量提供理論依據(jù)。