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高频高粘压电DOD打印头论文在JCR2区期刊Sensors and Actuators A:Physical（IF=3.407）发表
发布者: 王莉 | 2022-02-17 | 20020

近日课题组文章Development of high-frequency and high-viscosity piezoelectric DOD print head and its jet performance在Sensors and Actuators A:Physical期刊上成功发表

 

研究背景

  在微滴喷射技术中，打印头作为关键部件，其性能优劣是决定打印成品质量的关键。然而随着微滴喷射技术的发展，目前市场上的常规打印头大多面向粘度较低的墨水，而用于喷射高粘度溶液的打印头大都存在喷射频率低、墨水浪费严重等问题，严重制约了打印头应用领域的进一步扩展。因此，可喷射高粘度溶液且喷射频率高的打印头研制极为迫切。

研究成果

近期，西安交通大学3D打印王莉课题组提出并制造一种新型高粘度压电DOD打印头。首先通过打印头的结构和热力学模型，仿真验证了新型压电打印头结构和高粘度喷射的可行性。由此，研究各驱动波形参数对新型压电打印头喷射液滴大小和速度的影响，并证实了具有良好的喷射稳定性。此外，成功利用升温降粘原理实现了打印头的高粘度喷射。

       该工作内容以“Development of high-frequency and high-viscosity piezoelectric DOD print head and its jet performance”为题在Sensors and Actuators A：Physical期刊发表。第一作者及通讯作者为王莉副教授。

01

打印头结构设计与仿真分析

      在提出的新型压电打印头结构中，如图1所示，主要分为两部分：主体部分和加热模块。主体部分主要由转接头、挤压室、压电陶瓷和玻璃喷嘴（从上到下）组成。加热模块由加热弹簧环、铜套、尼龙垫圈和外壳组成。

             

图1 打印头结构示意图

       经有限元分析得到打印头热传递过程如图2所示，在径向上，热量从铜套内壁传递到玻璃和墨水上；在轴向上，热量从铜套内壁传递到玻璃管两侧，直到靠近玻璃喷嘴。最终喷射液滴的温度与预设加热温度仅相差5℃，对液体粘度变化的影响可忽略，初步证实了打印头加热程序的可靠性。

图2 热力学仿真

02

不同驱动参数喷射测试

       为研究各驱动参数对打印头喷射性能影响，本文分别对驻留时间、电压幅值及驱动频率等参数进行探究实验。图3(a)中示出液滴直径和速度随驻留时间的变化；图3(b)中示出液滴直径和速度随电压幅值的变化；图3(c)中示出液滴直径和速度随驱动频率的变化。

图3 不同驱动参数下液滴直径与速度曲线

03

打印头的高粘度喷射

       喷射油墨粘度对压电打印头的喷射性能有很大影响。为实现温度场调控打印头溶液粘度的高粘度喷射，对五组不同的高粘度溶液进行喷射测试实验。图4中示出，通过有效控制驱动条件和负压，五组高粘度溶液均能喷射稳定单液滴（溶液具体信息见原文）。

图4 高粘度溶液的喷射结果

04

打印头工作状态稳定性测试

      在喷墨打印中，喷墨稳定性和打印头重复性直接影响墨滴性能。图5（a-b）分别示出在1kHz和15kHz频率下液滴直径和喷射速度随时间变化曲线。根据测试结果，液滴直径精度在1%以内且液滴速度在精度1.5%以内，证明本文制造的打印头具有良好的喷射稳定性。

图5 液滴速度和直径随时间变化曲线

总结

       本文提出并制造了一种新型高粘度压电DOD打印头结构，通过流体力学和热力学仿真分析证明了结构的可靠性。此外，本文还通过测试平台测试打印头的喷射性能，研究分析各驱动参数对打印头喷射性能的影响。获得的结果可以总结如下：

1、在室温下，打印头喷射粘度范围可达8.2cps，通过温度场调节溶液粘度，最高可实现粘度98.17cps溶液喷射。

2、该新型高粘度压电DOD打印头可实现0至15kHz频率范围内稳定的单液滴喷射。

3、打印头在持续工作时间内，能够保持液滴直径和速度精度5%以内的稳定的单液滴喷射。

 

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