压电式喷墨打印头的动态特性研究

摘要

喷墨打印是一种非接触式的打印技术，由于其低成本，高耐用性，小型化和高可控性，在许多领域具有很大的优势。压电喷墨打印作为其重要分支之一，以其小型化，批量生产，长寿命和低墨水要求等优点，广泛应用于电子制造，生命科学和快速成型技术。动态测试对MEMS器件的性能、结构及制造方面都有着很重要的作用，本文结合数值仿真与激光多普勒测试系统对弯曲式压电喷墨打印头的动态特性进行研究，这对液滴的形成过程具有重要的意义。主要内容包括： （1）针对弯曲式压电喷墨打印头进行整体结构设计，详细介绍了压电薄膜、振动薄膜、金属电极和腔室材料的特点，并结合压电振动和压电喷射两大理论阐述了液滴的形成机理，为后续压电打印头的动力学仿真提供理论基础。 （2）对压电驱动器和打印头进行动力学仿真，首先以谐振频率和变形量为参考量，确定了长度、宽度、厚度等结构尺寸参数，其次针对压电驱动器进行模态分析，得出最适合液滴喷射的振型，确定驱动频率范围；最后对比了有无流固耦合对动态特性的影响。 （3）建立压电喷墨的二相流模型，确定了墨水的粘度、表面张力的最优参数值，比较了三种形状的喷孔对喷射效果的影响，选择了最利于液滴形成的喷孔的形状并优化了其结构尺寸，针对喷孔内壁和外板壁的表面状态对液滴形状的影响进行分析，最终确定打印头喷孔的表面处理工艺。 （4）介绍激光多普勒测振系统和基础激振方法，测量了振动薄膜的实际振动方向、振动模态及有无流固耦合下的振动形态，并提出一种结合激光多普勒测振仪与基础激振法测量谐振频率的方法，采用快速正弦扫频和白噪声激励压电驱动器及打印头，由激光多普勒测振仪测量速度响应，结合MATLAB软件求其功率谱，确定不同条件下的一阶谐振频率。

目录

声明

1 绪论

1.1 喷墨打印技术的发展及分类

1.1.1 喷墨打印技术的发展

1.1.2 压电喷墨打印技术的分类

1.2 压电效应与压电晶体

1.3 国内外压电喷墨打印技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 弯曲式压电喷墨打印头的结构设计及加工工艺

2.1 弯曲式压电喷墨打印头的整体设计

2.2 弯曲式压电喷墨打印头的理论依据

2.2.1 压电振动板理论

2.2.2 压电喷射理论

2.3 弯曲式压电喷墨打印头的加工过程

2.3.1 压电驱动器的加工工艺

2.3.2 压力腔室及喷孔的加工工艺

2.3.4 一体化封装工艺

2.4 本章小结

3 压电喷墨动力学仿真

3.1 数值模拟软件介绍

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 压电驱动器模型的建立

3.2.2 压电打印头模型的建立

3.3 仿真结果分析

3.3.1 结构尺寸对动态特性的影响

3.3.2 压电驱动器的模态分析

3.3.3 流固耦合对动态特性的影响

3.4 本章小结

4 压电喷墨液滴成形过程研究

4.1 二相流模型的建立

4.2 墨水特性对液滴形态的影响

4.3 喷孔对液滴形成的影响

4.3.1 喷孔形状对液滴形成的影响

4.3.2 喷孔表面状态对液滴形态的影响

4.4 喷孔的表面处理工艺

4.5 本章小结

5 压电喷墨的动态特性研究

5.1 振动测试系统介绍

5.2 振动性能的研究

5.3 谐振频率的测量

5.3.1 基础激振法介绍

5.3.2 实验结果的后处理

5.3.3 实验建立与结果讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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