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压电式波形控制低粘度喷墨效果的研究

2019-08-20 点击:952

转自微信公众号:柔性电子服务平台

作者:竹

本文采用双脉冲双波形控制压电式喷墨喷嘴中低粘度液体的液滴的形成,并对其响应进行了观察。

液滴形成也受压电驱动的参数(例如驱动电压,脉冲宽度和波形)的显着影响。因此,如果参数条件略微偏离最佳条件,则可能难以避免低粘度流体(高Z数)的卫星液滴出现。

测试了乙二醇和水混合液体以及去离子水两种液体,并升高温度来降低其粘度。将该测试液通过压电式喷嘴喷墨,通过改变驱动电压和脉冲之间的时间间隔,施加两个脉冲的双波形。确定双波形下液滴生成的稳定性和可控性。详细讨论了脉冲之间的时间间隔对液滴形成的影响。然后,将双波形中的液滴形成与单波形中的液滴形成进行比较,以了解其如何控制液滴大小和速度。

液体的两个较为重要的参数:奥内佐格数(Ohnesorge number)以及韦伯数(Weber number )


压电式波形控制低粘度喷墨效果的研究


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和U分别是液体的密度,粘度,表面张力系数和速度。D为喷嘴孔径。

奥内佐格数是粘度与表面张力的比值,而韦伯数被认为是衡量流体惯性相对于其表面张力的相对重要性的一个指标。

通过表一可以得到30℃下10mol%乙二醇和90mol%水的混合液体以及50°C去离子水两种液体的Z值分别为35.5和105.3

压电式波形控制低粘度喷墨效果的研究

本文采用的单波形与双波形如图2所示,单波形采用的方波,双波形采用的是和单波形相同的两个方波,波形由脉冲宽度、上升时间、下降时间以及两个方波之间的时间间隔来确定。图2中方波的脉冲宽度固定在20us,方波的上升时间和下降时间分别为1.9um和2.6um,驱动信号的频率固定为200Hz,在这个驱动频率下可以尽量抑制喷嘴内的横向压力波动,从而消除连续波动性好之间的干扰。


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如果驱动电压设置较低使得液滴刚好不能喷射出时,形成最大挤压的弯月面。如图3所示,采用30℃下10mol%乙二醇和90mol%水的混合液体在120V电压下弯月面经过喷嘴振荡而没有液滴射出时不同波形的图片,图a为单波形,图b为时间间隔Ts=14us的双波形,图c为时间间隔Ts=17us的双波形。图a中单个波形的弯月面形状具有较大的准玻化轮廓,而图b和c中的双波形的弯月面形状具有小的尖头。这种尖头形状是由第二次上升电压引起的负压力波引起的。喷嘴内部形成的负压将被挤出喷嘴的流体吸出。

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图4显示的为在不同波形下弯月面头部到喷嘴出口之间的距离以及液滴的挤出量。可以清楚的看出在一个周期内具有两个驱动脉冲的波形可以控制弯月面运动并改变液滴体积。


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图5可以看出双波形相比于单波形对于控制卫星墨滴有良好的效果。

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如图7所示,双波形在Ts=14us和17us的情况下都会形成单液滴,产生双波形单液滴的关键因素是喷射过程中液体动量的减小。减速比取决于两个脉冲之间的时间间隔。分离时间越短,动量越小。在本研究中,对于Ts=14和17us,液滴的喷射速度分别为3.73和4.40m/s。


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为了确定双波形在低粘度液体中的喷墨效果是否也同样稳定,采用了50°C去离子水来进行测试,通过图8b可以看出,双波形也可以很好控制液滴的形成。图9展示了Ts时间在15us和19us时,卫星墨滴与主墨滴的下降速度的两个边界值。15us时,卫星墨滴的下降速度与主墨滴的下降速度相等,在19us时,卫星墨滴的下降速度远大于主墨滴的下降速度,并且在与主墨滴重合后再次分离,形成卫星墨滴。


压电式波形控制低粘度喷墨效果的研究


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根据图8和图9的效果,拍摄了图10当Ts分别为16us、17us和18us时的墨滴情况,可以看出在双波形的情况下,能够产生稳定的单液滴。同时通过图11可以看出,墨滴的大小和液体粘度有很大的关系,并且在改变Ts以及驱动电压大小的过程中也会对墨滴的大小造成影响。总体趋势为:随着驱动电压的增加,Ts的增加,液滴尺寸变大。


压电式波形控制低粘度喷墨效果的研究


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通过图12和表3可以得到驱动电压增大会增大墨滴的下落速度,在相同的驱动电压下,Ts的长短关系到卫星墨滴的速度和尺寸(质量),Ts越长,卫星墨滴的速度越快,但同时卫星墨滴的尺寸(质量)也越小。卫星墨滴与主墨滴复合时,卫星墨滴的动量影响了整体墨滴的下降速度。所以在一个合适的Ts下才能获得墨滴的最大下降速度。

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参考文献:Control of droplet formation for low viscosity fluid by doublewaveforms applied to a piezoelectric inkjet nozzle

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