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压电喷墨驱动波形和残余振荡研究

压电与声光 2024年第4期46卷 576-581页

作者：武秋敏李飒马依礼朱慧敏徐磊西安理工大学印刷包装与数字媒体学院陕西西安710054

压电喷墨打印头的结构、驱动波形等直接影响墨滴的喷射特性和打印精度。运用数值仿真软件COMSOL建立了压电喷墨打印头系统模型,研究了驱动参数(电压幅值、电压停留时间、工作频率)对喷射特性(液滴速度和体积)的影响规律。最后,设计了双... 详细信息

压电喷墨打印头的结构、驱动波形等直接影响墨滴的喷射特性和打印精度。运用数值仿真软件COMSOL建立了压电喷墨打印头系统模型,研究了驱动参数(电压幅值、电压停留时间、工作频率)对喷射特性(液滴速度和体积)的影响规律。最后,设计了双极驱动波形来抑制残余振荡。结果表明,该消振波形能有效地抑制残余振荡,提高了喷墨打印头的工作频率和稳定性。

关键词：压电喷墨流体仿真驱动波形墨滴特性残余振荡

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压电喷墨驱动器特性研究及参数优化

包装工程 2021年第5期42卷 187-192页

作者：武秋敏徐磊袁方武吉梅西安理工大学印刷包装与数字媒体学院西安710048

目的研究压电驱动器结构参数对其驱动性能的影响,并对其结构进行优化,为进一步研究压电喷墨的喷射特性奠定基础。方法总结近年来压电喷墨印刷技术的研究现状,利用有限元数值模拟软件Comsol Multiphysics建立压电驱动器的数值模型,分析... 详细信息

目的研究压电驱动器结构参数对其驱动性能的影响,并对其结构进行优化,为进一步研究压电喷墨的喷射特性奠定基础。方法总结近年来压电喷墨印刷技术的研究现状,利用有限元数值模拟软件Comsol Multiphysics建立压电驱动器的数值模型,分析压电薄膜PZT、SiO_(2)振动板和Parylene保护层这3个部分的结构尺寸对压电驱动器位移的影响规律,并且利用正交试验方法确定压电驱动器主要部件的最优尺寸。结果压电驱动器的结构尺寸对其振幅有较大影响,不同的结构组合可以得到不同的压电驱动器位移。在压电薄膜与振动板宽度之比为0.7,振动板宽度为140μm,保护层厚度为0.7μm,振动板厚度为0.9μm,压电薄膜厚度为1μm时,驱动器位移达到最大。结论通过对压电驱动器的结构尺寸进行优化,可使驱动器位移达到最大,从而使其驱动性能最优。

关键词：压电喷墨结构优化正交试验

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压电喷墨喷射特性及残余振荡抑制研究

压电喷墨喷射特性及残余振荡抑制研究

作者：徐磊西安理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着科技水平的提高,数字印刷技术获得了巨大发展。其中压电喷墨印刷技术因其精度高、稳定性好和适应性强的特点,被广泛应用于大型喷绘、生物医药、增材制造等众多工业领域。压电喷墨中墨滴的驱动生成、墨滴喷射的状态都对印品... 详细信息

近年来,随着科技水平的提高,数字印刷技术获得了巨大发展。其中压电喷墨印刷技术因其精度高、稳定性好和适应性强的特点,被广泛应用于大型喷绘、生物医药、增材制造等众多工业领域。压电喷墨中墨滴的驱动生成、墨滴喷射的状态都对印品质量起着重要的作用。因此,本文以弯曲式压电驱动系统为研究对象,深入研究了打印头结构参数、及系统驱动波形参数等对墨滴喷射动力稳定性的影响。具体内容如下:(1)优化打印头结构参数,分析其动力学性能。采用有限元分析软件Comsol Multiphysics建立压电驱动器和打印头的数值仿真模型,分别以驱动器的位移和喷孔处流体的平均速度为评价标准,对压电打印头结构尺寸进行了优化分析,确定压电打印头各部分最佳的结构尺寸和驱动波形。(2)建立完整的压电喷墨系统模型,研究墨滴的喷射成形过程。将建立的喷孔两相流分析模型与压电打印头模型进行耦合,研究了喷孔形状和油墨的物理属性(黏度和表面张力)等对墨滴成形过程的影响,最终确定了油墨的黏度、表面张力的最优参数值以及喷孔的形状尺寸。(3)针对系统存在的残余振荡问题,设计并优化了驱动波形,实现了对残余振荡的有限抑制。利用建立的有限元分析模型对梯形驱动波形的各时间分量进行了仿真分析,得到了正极性单梯形波各分量的最佳参数(电压上升时间trise=4μs,电压停留时间tdell=8 μs和电压下降时间tfall=3μs),并对驱动电压幅值、电压停留时间和操作频率参数等对墨滴喷射过程的影响进行研究;利用波叠加原理设计了抑制残余振荡的复合驱动波形,研究结果表明,采用该驱动波形可以使打印头内的残余压力波得到快速衰减,时间由106μs缩短为55 μs,提高了系统效率和喷射稳定性。(4)搭建了墨滴喷射实验平台,研究分析了驱动电压幅值、电压停留时间和操作频率等对墨滴喷射特性的影响,并将实验结果与仿真结果进行了对比,验证了数值仿真结果的正确性。

关键词：压电喷墨弯曲模式墨滴喷射波形设计残余振荡

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压电喷墨打印驱动波形自动优化技术研究

压电喷墨打印驱动波形自动优化技术研究

作者：王国力哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

喷墨打印是一种快速、精确、非接触的打印技术,在许多领域中广泛应用。其中压电喷墨打印技术因其可以控制驱动波形进而调节墨滴体积而备受关注。因此本文为调控墨滴体积而对压电喷墨打印进行研究进而设计波形自动优化算法。研究内容如下... 详细信息

喷墨打印是一种快速、精确、非接触的打印技术,在许多领域中广泛应用。其中压电喷墨打印技术因其可以控制驱动波形进而调节墨滴体积而备受关注。因此本文为调控墨滴体积而对压电喷墨打印进行研究进而设计波形自动优化算法。研究内容如下:为了对压电喷墨打印技术进行深入研究,首先分析了压电喷墨打印的基本工作原理,包括压电喷墨打印单元结构、压电驱动器的振动机理、压力波传导理论及墨滴形成理论。在此基础上,结合实际系统分析在打印生产前工程人员是如何根据所需墨滴参数对驱动波形进行优化的,从而分析出了人工优化波形存在的问题与不足。为了能够根据墨滴体积参数而自动优化波形,首先分析了墨滴的形成过程以及墨滴体积的影响因素。为此对压电喷墨过程进行数学建模,然后对模型进行简化后使用仿真软件COMSOL搭建层流及两相流模型,分析墨滴的形成过程,以及流体粘度及表面张力对墨滴体积的影响。由于仿真模型进行了简化,因此无法精确模拟压电驱动波形各参数对墨滴体积的影响。为此,使用压电喷墨设备进行实验分析,成功的对仿真中的墨滴形成过程进行了验证,而且也分析出了压电驱动波形各参数对墨滴体积的影响。通过仿真模拟以及实验分析为后续波形自动优化算法中参数的选择奠定了基础。通过对实际情况进行分析,提出了基于减聚类的T-S型模糊神经网络模型(SC-TS-FNN)的压电驱动波形自动优化算法。首先,根据墨滴体积影响因素的分析以及考虑到压电退化现象和喷墨稳定性的需求,设计了适用于本研究的T-S型模糊神经网络结构,通过减聚类算法对模糊规则层节点数进行确定。然后使用BP算法以及针对BP算法的缺陷而设计了GA-BP算法对SC-TS-FNN模型中的参数进行优化。接着搭建实验系统对数据进行采集,制作了样本数据集。通过对网络的训练,对比了两种学习算法,分析出了GA-BP算法的优越性。最后对训练好的模型进行泛化性分析,说明了此算法达到了应用到实际系统中的标准。为了验证设计的波形优化算法的可行性以及优化后的喷墨效果,搭建了喷墨打印实验系统并与设计的优化算法相结合。首先,随机设定体积参数,然后对波形优化,通过墨滴观测系统的分析验证了算法的可行性。然后使用不同物理参数的墨水进行实验,验证了算法可以对不同墨水的墨滴喷射进行波形优化。接着将两个不同使用时长的喷头用于实验,验证了算法可以一定程度上避免由于压电退化或墨水对墨道影响所带来的不良喷射现象。最后通过智能优化与人工优化的对比实验,验证了智能优化算法在优化时长以及优化后的波形参数在墨滴稳定喷射上的优越性。

关键词：压电喷墨墨滴体积驱动波形优化模糊神经网络

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压电喷墨打印单元结构优化及驱动波形设计

压电喷墨打印单元结构优化及驱动波形设计

作者：肖晓蕾大连理工大学

学位级别：硕士

压电喷墨打印技术由于其高精度、高稳定性、高适应性的特点广泛应用于文件打印及增材制造领域。我国长期以来一直没有掌握压电喷墨核心技术,本文研究了一种自主研发的压电式喷墨打印头,主要内容包括:(1)介绍压电式喷墨打印单元的基本工... 详细信息

压电喷墨打印技术由于其高精度、高稳定性、高适应性的特点广泛应用于文件打印及增材制造领域。我国长期以来一直没有掌握压电喷墨核心技术,本文研究了一种自主研发的压电式喷墨打印头,主要内容包括:(1)介绍压电式喷墨打印单元的基本工作原理,包括压电喷墨打印单元结构、压电驱动器的振动机理、压力波及墨滴形成理论;简述压电喷墨打印头制造工艺,为后文的仿真和实验提供了理论基础。(2)建立压电驱动器的三维有限元仿真模型,研究各个结构尺寸对振幅的影响,在综合考虑各因素后确定了较合适的取值范围,并通过正交试验法确定了一组最优尺寸参数,SiO振动板长度为700μm,宽度为130μm,厚度为1μm,PZT厚度为1μm,PZT与SiO宽度之比为0.9,Parylene厚度为600nm。(3)建立压电喷墨单元和两相流有限元仿真模型,对驱动波形进行优化设计。提出一种压电喷墨打印头驱动波形设计的新方法,将激光多普勒振动测试与数值仿真结合来确定单极性驱动波形的具体参数。首先通过衰减振动波形自谱分析法获得振动板的阶跃响应时间,确定了电压上升时间t为5μs,电压下降时间t为3μs,其次设计具有长电压保持时间的测试波形来模拟单独的电压上升沿和下降沿引起的喷孔出口处流体平均速度变化,最终根据速度波的叠加原理将电压保持时间t确定为16μs,在该参数下,喷孔处的液体产生最大正向速度,有利于使液滴能够在较低的驱动电压下喷射。(4)对不同结构尺寸的压电驱动器进行激光多普勒振动测试,从振幅变化趋势和振动模态方面验证了模拟结果的正确性;为压电喷墨单元施加不同参数的驱动信号,对比墨滴观测实验结果,从弯液面大小、液滴体积、速度、液柱长度和墨滴形成过程方面验证了本文提出的波形设计方法的有效性。

关键词：压电喷墨结构优化驱动波形设计多普勒振动测试墨滴观测

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压电喷墨过程数值分析及供墨系统设计

压电喷墨过程数值分析及供墨系统设计

作者：吴昊浙江工业大学

学位级别：硕士

印刷产业是我国国民经济的基础,随着高新技术的不断发展,传统印刷业也面临着向数字化印刷方向进行产业升级,其中具有低成本运行、环保优势的数字喷墨技术被业内认定为未来的主流印刷技术。“十二五”规划明确提出要发展具有自主知识产... 详细信息

印刷产业是我国国民经济的基础,随着高新技术的不断发展,传统印刷业也面临着向数字化印刷方向进行产业升级,其中具有低成本运行、环保优势的数字喷墨技术被业内认定为未来的主流印刷技术。“十二五”规划明确提出要发展具有自主知识产权的高速喷墨印刷系统。喷头和供墨系统是保证工业高速喷墨印刷机连续可靠且高质量运行的关键因素。喷墨喷头专利长期被国外垄断,技术壁垒大,研发周期较长,而同等重要的供墨系统技术难度相对较低,并且目前研究的较少,利于从中得到突破,取得自主知识产权,从而在高速喷墨印刷机的研发中掌握主动权。油墨是决定及制约喷墨印刷效率和质量的关键。我国喷墨油墨技术虽取得长足进步,但仍在关键技术上有所欠缺,墨水特性受环境因素影响较大,对造成喷墨效果不佳。本文针对喷墨系统的需求,进行了以下工作: 1)分析了喷墨印刷的工作原理,特别是对工业喷墨印刷采用的压电喷墨技术进行了液滴喷射过程的流体特性分析。分析喷墨印刷质量的影响因素,结合流体力学原理,研究墨水特性对压电喷墨过程的影响机理。 2)采用Fluent计算仿真平台,建立压电喷墨的物理模型和数学模型,进行墨水特性对墨滴成形和喷射效果影响机理的分析,得到喷头工作有其最佳粘度范围的结论。 3)针对XAAR500压电喷头,分析其结构参数和工作特性,进行其供墨系统的功能和结构设计,并开发基于51单片机的控制系统,完成组装,得到一套独立运行的机电一体化子系统。通过对墨水温度和负压的控制,达到良好的墨水特性和供墨特性控制性能,满足喷墨系统连续可靠及高质量运行的需求。本文通过分析墨水特性和压电喷墨的工作过程,采用Fluent软件仿真分析墨水特性对喷墨印刷的影响机理,并在此基础上进行了供墨系统的设计开发,提出通过控制墨水温度来调节粘度以及控制墨水液位调节供墨压力的方法,完成了对墨水特性和供墨特性的良好控制,提高了高速喷墨印刷的可靠性和印刷效果。在实际应用中取得了良好的效果。

关键词：压电喷墨数值分析供墨系统微机控制

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压电喷墨打印头结构优化及喷射性能研究

压电喷墨打印头结构优化及喷射性能研究

作者：袁方西安理工大学

学位级别：硕士

微液滴喷射技术由于其响应快、精度高等优点,在喷墨印刷、增材制造、LCD制造、微流体芯片、太阳能电池、和纳米技术等多个工业领域具有广泛应用。压电喷墨印刷具有控制精度高、印品质量好、能源消耗少及绿色环保等优点而成为数字印刷技... 详细信息

微液滴喷射技术由于其响应快、精度高等优点,在喷墨印刷、增材制造、LCD制造、微流体芯片、太阳能电池、和纳米技术等多个工业领域具有广泛应用。压电喷墨印刷具有控制精度高、印品质量好、能源消耗少及绿色环保等优点而成为数字印刷技术的重要发展方向。其工作原理是对压电打印头中的压电元件施加电压脉冲,由于压电材料具有逆压电效应,压电元件振动并在墨水通道内并生成压力波,导致流体在压力作用下从喷孔喷出,经射流断裂形成液滴。压电喷墨行为包括固体、流体和空气等多个物理场,在喷墨过程中涉及压电元件的机电耦合、腔室与流体的声结构耦合,以及液滴在空气中飞行的两相流耦合等多个物理场耦合。因此,研究压电喷墨的驱动特性及液滴喷射的耦合特性具有重要意义。本文的主要研究内容包括:(1)研究了弯曲模式压电喷墨打印驱动系统的特性,建立了压电喷墨打印头中的压电驱动器有限元仿真模型,确定了 PZT压电薄膜、SiO2振动板和Parylene保护层的结构参数对压电驱动器驱动特性的影响规律,并对驱动器各结构参数进行了优化。(2)对墨水腔内流体的动力特性进行了理论研究。通过对描述压电喷墨打印头墨水腔压力通道内部声学控制方程的推导,建立了基于窄通道理论的声结构耦合模型,研究腔体内声压力波驱动机制及声压力波与所喷射流体的相互作用。(3)建立压电喷墨打印头的有限元仿真模型,分析了打印头工作时压电驱动器与腔室内流体的声结构耦合特性,研究了结构参数、流体属性和谐振频率等参数对喷孔声压的影响。(4)研究了外激励参数及流体参数对喷射特性的影响。建立了液滴从喷孔喷射到空气中的两相流模型,将声结构耦合分析的瞬态结果作为压力入口的边界条件导入两相流模型,对液滴喷射过程进行流体动力学分析。

关键词：压电喷墨结构优化数值仿真声结构耦合两相流耦合

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压电喷墨喷射特性及多脉冲串扰调制研究

压电喷墨喷射特性及多脉冲串扰调制研究

作者：李飒西安理工大学

学位级别：硕士

压电喷墨打印技术由于其强适应性、高精度性、高稳定性等特点,在印刷电子、生物技术、增材制造等众多工业领域应用广泛。本文采用数值模拟和实验相结合的方法研究分析了压电材料、驱动脉冲对墨滴喷射的影响,并研究分析了残余振荡对多脉... 详细信息

压电喷墨打印技术由于其强适应性、高精度性、高稳定性等特点,在印刷电子、生物技术、增材制造等众多工业领域应用广泛。本文采用数值模拟和实验相结合的方法研究分析了压电材料、驱动脉冲对墨滴喷射的影响,并研究分析了残余振荡对多脉冲串扰的内在干涉机制,具体研究内容如下:(1)研究压电材料对打印头驱动特性的影响。利用仿真软件COMSOL建立压电喷墨系统模型,首先以驱动器位移和喷孔处流体速度为关键评价指标,研究压电材料种类和厚度对打印头驱动特性的影响,确定了压电材料的种类为PZT-5H,厚度为1μm;最后研究了压电材料层数对驱动器位移的影响,结果表明,压电材料总厚度相同时,双层压电材料驱动器位移约为单层压电材料驱动器位移的2倍。(2)研究驱动脉冲对墨滴喷射特性的影响。通过所建立的打印头系统模型研究分析驱动脉冲形状和极性对打印头驱动特性的影响,确定了压电喷墨打印头加载的最佳驱动脉冲为正极性单梯形脉冲;对驱动脉冲的参数进行优化分析,确定了驱动脉冲各参数最佳值(电压上升时间为2 μs、电压停留时间为17 μs、电压下降时间为1 μs、电压幅值为8 V);从墨滴喷射的角度,研究了停留时间和电压幅值对墨滴喷射特性的影响;并在此基础上,通过调节电压幅值和电压停留时间实现了稳定喷射时墨滴体积大小的调制范围为4.4 pl-29.5pl。(3)研究残余振荡对多脉冲串扰的内在干涉机制,分析墨滴速度随脉冲频率的振荡现象。结果表明,喷嘴处流体速度的振荡与打印头内压力的振荡具有相同周期Tn和固定的相位差Tn/4。利用残余振荡串扰效应的叠加,实现了压电喷墨打印头的高频稳定喷射。(4)搭建实验台,研究电压幅值和停留时间对墨滴喷射特性的影响规律。结果表明,随着电压幅值增大,墨滴体积和飞行速度基本呈现近似线性的增长趋势,随着电压停留时间的增大,墨滴的体积和飞行速度都表现出先增后减的变化规律,与仿真规律一致。

关键词：压电喷墨压电材料多脉冲串扰墨滴喷射数值仿真

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印刷电子压电喷墨喷头的建模与改进

计算机仿真 2016年第3期33卷 221-226页

作者：张文菡周奕华钱俊夏京瑞武汉大学印刷与包装系湖北武汉430079

针对高粘度印刷电子墨水易堵塞喷头甚至无法喷射的问题,从结构、材料两方面进行改进,设计出适用于印刷电子领域的微压电喷头,并利用ANSYS软件的仿真对喷头效果进行验证。仿真过程的技术难点主要有网格划分、高粘度墨水输入和PZT-5A特定... 详细信息

针对高粘度印刷电子墨水易堵塞喷头甚至无法喷射的问题,从结构、材料两方面进行改进,设计出适用于印刷电子领域的微压电喷头,并利用ANSYS软件的仿真对喷头效果进行验证。仿真过程的技术难点主要有网格划分、高粘度墨水输入和PZT-5A特定材料添加。针对网格划分的难点,分重点部位采用不同划分方法,并在喷嘴处细化;针对印刷电子特殊性,输入对应的高粘度墨水系列性能;针对喷头优选的PZT-5A压电陶瓷材料,将PZT-5A各项属性添加到材料库进行使用。仿真结果表明,改进后的喷头产生形变量大于现有研究喷头,并且墨滴断裂耗时减少了7.3%,最大出口速度提高了35.3%、适用粘度范围扩大了1.73倍。改进后喷头拓宽了压电喷墨在印刷电子领域的应用范围。

关键词：印刷电子打印喷头微压电压电喷墨