压电喷墨打印头的模拟优化与测试

发布时间：2017-09-30 23:18

  本文关键词：压电喷墨打印头的模拟优化与测试

  更多相关文章： 压电打印头 数值模拟 结构设计 加载电压波形设计 余振抑制 多普勒激光位移测试 墨滴喷射

【摘要】：随着喷墨印刷产业的繁荣发展和压电按需喷墨技术在其他工业领域中的应用越来越广,压电喷墨打印头的需求也越来越高。至今,国内市场上仍缺乏具有自主知识产权的压电喷墨打印头。本文对一种自主研发的压电打印头的结构尺寸及加载电压波形进行了优化设计。通过对压电振动板的振动机理和墨滴喷射过程的分析以及利用计算机数值模拟,合理设计压电打印头的参数以达到高喷射性能的目标。(1)为了获得优良的液滴喷射性能,本文利用计算机数值模拟软件COMSOL对压电打印头的尺寸进行了模拟优化。对SiO2基板厚度和PZT层厚度和宽度进行的模拟仿真显示,存在一个最优尺寸使压电打印头的喷墨性能达到最好。通过模拟和测试发现,随着振动板宽度的增加,振动板的振动峰值也随之线性增加。当PZT宽度增加时,压电振动板的振动峰值先增加后下降。为了更好地以低电压获得高振幅,文中对一种双PZT结构进行了模拟。模拟结果显示,同等条件下双PZT结构的振幅为单PZT结构的两倍。本文结合工艺要求和喷墨性能要求对喷嘴层的厚度进行了模拟分析,在保证喷嘴层结构强度和应力极限的情况下尽量降低了喷嘴层的厚度。(2)除了压电打印头的结构尺寸,加载电压波形是另一个影响压电打印头液滴喷射性能的重要因素。在加载电压波形设计方面,本文利用压力波叠加的原理设计了一种加载电压波形的方法。利用该方法设计的双梯形加载电压波形各段时间分别为t1=4μs, t2=14μs, t3=1μs, t4=33μs, ts=4μs。同时,为了使该打印头在高频下工作,本文还利用负反馈的原理设计一种可以主动抑制残余振动的电压波形。通过模拟发现,当加载该消振波形时,压电打印头的余振得到了很好的抑制。(3)为了评估压电打印头在制作过程中的性能,本文对压电振动板和压电打印头成品进行多普勒激光位移测试。在关于电压变化的多普勒测试结果中发现,压电振动板的振幅随电压逐渐上升,并在60V以后上升趋势变缓。而且压电打印头在60V时的疲劳寿命只有10min,因此压电打印头的加载电压幅值需小于60V。在对多种加电压波形的多普勒测试结果中发现,相对于其他波形(正弦波、三角波和方波),双梯形加载电压波形表现出了格外优良的墨水吸入能力和液滴喷射能力。(4)最后,对压电打印头成品进行了墨滴喷射频闪观测。该测试结果验证了压电打印头结构和加载电压波形的有效性。
【关键词】：压电打印头 数值模拟 结构设计 加载电压波形设计 余振抑制 多普勒激光位移测试 墨滴喷射
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP334.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-15
• 1.1.1 喷墨印刷技术的发展与分类9-13
• 1.1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2 论文研究内容15-16
• 2 压电打印头工作原理16-24
• 2.1 压电振动板机理16-17
• 2.1.1 压电理论16
• 2.1.2 压电复合板振动理论16-17
• 2.2 液滴喷射机理17-21
• 2.2.1 液滴形成过程分析17-19
• 2.2.2 液滴特性分析19-21
• 2.3 压电打印头实物21-23
• 2.4 本章小结23-24
• 3 压电打印头模拟理论分析24-31
• 3.1 有限元模拟分析24
• 3.2 压电打印头数值模拟机理24-27
• 3.2.1 压电振动板理论分析24-25
• 3.2.2 流体理论分析25-26
• 3.2.3 两相流理论分析26-27
• 3.3 压电打印头模型的建立27-30
• 3.3.1 压电打印头模型的数值耦合27-28
• 3.3.2 压电打印头模型28-30
• 3.4 本章小结30-31
• 4 压电打印头模拟结果分析31-51
• 4.1 压电振动板结构的设计与模拟31-35
• 4.1.1 SiO_2厚度和PZT厚度对压电振动板振幅的影响31-32
• 4.1.2 振动板宽度对压电振动板振幅的影响32-33
• 4.1.3 PZT宽度对压电振动板振幅的影响33
• 4.1.4 新型压电振动板结构的设计与模拟33-35
• 4.2 腔室结构的设计与模拟35-39
• 4.2.1 喷口层厚度设计35-38
• 4.2.2 限流部尺寸的设计38-39
• 4.3 压电振动板加载电压波形的设计39-49
• 4.3.1 激励波形的设计与模拟39-45
• 4.3.2 消振波形的设计与模拟45-49
• 4.4 本章小结49-51
• 5 压电打印头实验结果分析51-62
• 5.1 多普勒激光振动测试51-58
• 5.1.1 多普勒激光振动测试简述51-52
• 5.1.2 电压对振动板振幅的影响52-54
• 5.1.3 振动板疲劳特性的测试54-56
• 5.1.4 加载电压波形的测试56-58
• 5.2 墨滴喷射测试58-60
• 5.2.1 频闪观测平台58-59
• 5.2.2 成品墨滴喷射59-60
• 5.3 本章小结60-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士期间发表论文情况68-69
• 致谢69-70

【参考文献】

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1 张健,方杰,范波芹;VOF方法理论与应用综述[J];水利水电科技进展;2005年02期

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本文编号：950988