任曉飛
關(guān)鍵詞:噴墨打印;水平集方法;計算機(jī)仿真;液滴動力學(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,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]。
流體的動力學(xué)特性分析可以將噴墨系統(tǒng)的驅(qū)動信號、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]首次以流體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)計算和分析了噴墨打印過程中液滴形成的流體動力學(xué)過程;占紅武等人[8]建立了液滴噴射的動力學(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)一個計算機(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,到撞擊的整個動態(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
噴墨打印是一個非常復(fù)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(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,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,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(xiàn)縮頸現(xiàn)象。這是由于墨滴不斷向前移動,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,會發(fā)生縮頸現(xiàn)象。隨著時間的推進(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)時會向外擴(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 時的情況進(jìn)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(tài)對比情況。由圖可見,噴嘴處初始速度越大,墨滴在運(yùn)動過程中越容易產(chǎn)生細(xì)長的尾部,到達(dá)目標(biāo)所用時間更短。然而,當(dāng)墨滴撞擊在目標(biāo)基板上時,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,打印質(zhì)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(jī)發(fā)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(jìn)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(dāng)動力黏度較低時,墨滴在噴射過程中尾部會發(fā)生斷裂,形成衛(wèi)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(zhì)量。
4 結(jié)束語
本文開發(fā)了一種計算機(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)動速度越快,液滴對目標(biāo)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(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)基板上會發(fā)生飛濺,影響打印質(zhì)量。本研究能夠為優(yōu)化噴墨打印裝置從而提高打印質(zhì)量提供理論依據(jù)。