壓電噴墨打印頭的模擬優(yōu)化與測試.pdf

1、隨著噴墨印刷產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展和壓電按需噴墨技術(shù)在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，壓電噴墨打印頭的需求也越來越高。至今，國內(nèi)市場上仍缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的壓電噴墨打印頭。本文對一種自主研發(fā)的壓電打印頭的結(jié)構(gòu)尺寸及加載電壓波形進行了優(yōu)化設(shè)計。通過對壓電振動板的振動機理和墨滴噴射過程的分析以及利用計算機數(shù)值模擬，合理設(shè)計壓電打印頭的參數(shù)以達到高噴射性能的目標(biāo)。
　　(1)為了獲得優(yōu)良的液滴噴射性能，本文利用計算機數(shù)值模擬軟件COMSOL對壓

2、電打印頭的尺寸進行了模擬優(yōu)化。對SiO2基板厚度和PZT層厚度和寬度進行的模擬仿真顯示，存在一個最優(yōu)尺寸使壓電打印頭的噴墨性能達到最好。通過模擬和測試發(fā)現(xiàn)，隨著振動板寬度的增加，振動板的振動峰值也隨之線性增加。當(dāng)PZT寬度增加時，壓電振動板的振動峰值先增加后下降。為了更好地以低電壓獲得高振幅，文中對一種雙PZT結(jié)構(gòu)進行了模擬。模擬結(jié)果顯示，同等條件下雙PZT結(jié)構(gòu)的振幅為單PZT結(jié)構(gòu)的兩倍。本文結(jié)合工藝要求和噴墨性能要求對噴嘴層的厚度進行

3、了模擬分析，在保證噴嘴層結(jié)構(gòu)強度和應(yīng)力極限的情況下盡量降低了噴嘴層的厚度。
　　(2)除了壓電打印頭的結(jié)構(gòu)尺寸，加載電壓波形是另一個影響壓電打印頭液滴噴射性能的重要因素。在加載電壓波形設(shè)計方面，本文利用壓力波疊加的原理設(shè)計了一種加載電壓波形的方法。利用該方法設(shè)計的雙梯形加載電壓波形各段時間分別為t1=4μs，t2=14μs，t3=1μs，t4=33μs，t5=4μs。同時，為了使該打印頭在高頻下工作，本文還利用負反饋的原理設(shè)計一種

4、可以主動抑制殘余振動的電壓波形。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載該消振波形時，壓電打印頭的余振得到了很好的抑制。
　　(3)為了評估壓電打印頭在制作過程中的性能，本文對壓電振動板和壓電打印頭成品進行多普勒激光位移測試。在關(guān)于電壓變化的多普勒測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，壓電振動板的振幅隨電壓逐漸上升，并在60V以后上升趨勢變緩。而且壓電打印頭在60V時的疲勞壽命只有10min，因此壓電打印頭的加載電壓幅值需小于60V。在對多種加電壓波形的多普勒測試結(jié)果中發(fā)