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如何利用Negtive Purdue波形产生微小液滴?(三)

MicroFab Inkjet发生微小液滴的探索系列(三)——Negtive Purdue波形介绍


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 背景


通常,用按需打印头产生的液滴的半径与喷射它们的喷嘴的半径大致相同。往往减小液滴体积的可靠方法是减小孔口的尺寸。然而,通过缩小孔口的尺寸,喷头堵塞的问题变得更加严重。因此,对发生微小液滴不同方法的需求一直在增加。按需打印的喷墨系统(能够喷射出液滴半径小于孔口半径)是目前发生微小液滴降低成本的最佳方式。


喷射滴的过程不是一个简单的过程,因为按需滴系统喷射小的和单分散的微滴的发生是所有可能液滴发生的一个非常小的子集。这些液滴发生必须通过反复试验和错误来调整(通常是经验性的),才能进行适当的按需打印。MicroFab JetDrive™提供三种波形,因此为不同的波形设置提供了多种可能性。


MicroFab的压电式Inkjet在摸索发生微小液滴方面已经有很多经验,并总结了Inkjet喷头发生微小液滴的一些规律。通过测试了多种类型的波形,发现发生微小液滴的波形种类,例如Positive Purdue波形,Negative Purdue波形,Sakai波形等其他波形。


本文主要介绍在使用MicroFab压电式inkjet时,利用Sakai波形等其他波形方面探索发生微小液滴的方法。


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 Negtive Purdue波形


2.1 液滴发生原理


首先,有一个假设,如果使用一个反转的Purdue波形,应该同样可以实现喷射微小液滴的类似效果。此假设是基于打印头内正负传播压力波的声学模型。假设翻转波形极性会导致传播压力和速度方向瞬间反转。这些压力波会被喷头口内壁反射,而液滴压力和速度方向会随着每次反射而再次变化。事实上,经过优化每种类型的波形参数的优化,正波形和倒负普渡波形都可以适用于Inkjet喷头。然而,由负普渡波形产生的液滴喷射效应与之前假设不同。


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▲ 图1.1.1 Negative Purdue波形

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▲ 图1.1.2a 常规波形发生的液滴▲ 图1.1.2b 液体舌形成▲ 图1.2c 微小液滴的形成


与Positive Purdue波形相比,Negative Purdue再次是一个三步的过程。如图1.1.3a-f描述了喷射过程(waveform 参考 3.1, f=600Hz)。


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Negtive Purdue波形提供了良好的打印结果,发现可以将液滴直径从60µm孔中的30µm缩小到30µm孔中的15µm-20µm(图1.1.4b)。

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▲ 图1.1.4a 使用标准波形,喷头B6-65-22喷射30μm孔的30μm压差。▲ 图1.1.4b 与图1.1.4a相同的设置,但喷头以Negtive Purdue波形运行。


2.2 第二段波形截面变化的影响


从Negtive Purdue波形的第二部分的变化中得到的结果可与Positive Purdue波形的相应变化的影响相比较(见Technology | 如何利用Positive Purdue波形产生微小液滴?)。随着第二次停留时间的增加(图1.2.1),下降速度和弯月板振荡增加(图1.2.2)。然而,t4比使用正普渡波形时更宽,这使得它更容易找到一个工作配置。峰值到电压的误差是由喷射驱动器的电容引起的tmIII控制器,可高达∆V=1.5V(应用波形,见3.2,f=600Hz)。


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▲ 图1.2.1 Negtive Purdue波各种二级停留时间

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▲ 图1.2.2 Negtive Purdue波增加第二段停留时间影响液滴下落速度变化




▼ 图1.2.3 a-g显示了增加秒停留时间(t4)的跌落弹射过程,测试设置根据3.2 (f=600Hz)


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第二个停留电压的增加(U3,4)基本上延长了从半月板表面延伸出来的流体舌(1.2.4a-c)。然而,下降速度和直径也增加了。如果第二个停留电压非常高,则由长长的流体舌形成两个或多个液滴(1.2.4c)。

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▲ 图1.2.4a 常规波形发生的液滴▲ 图1.2.4b 液体舌形成▲ 图1.2.4c 微小液滴的形成


图1.2.4a-c显示了增加第二停留电压时舌头的形成。波形根据3.2进行了调整 (f=600Hz)与U3,4=25V(图1.2.4a),U3,4=30V(图1.2.4b)和U3,4=35V(图1.2.4c)。


2.3 第一段和第三段波形截面变化的影响



基本上,第一次停留时间和电压的变化影响了流体凸起的形成(见图1.1.3a)。因此,半月板的第一个延伸振幅。在这个波形的第一个平方期间(t1-t3)必须将一定量的能量初始化到执行器,以产生压力瞬态,从而产生弯月板的最佳第一振幅。显然,所需的能量量取决于流体和对弯月板表面和凸起形成有影响的各种情况。如果传递的能量过低,在第二步中没有舌头从半月板表面延伸。如果能量过高,弯月板表现出混沌振荡行为或与孔板直径相同的下降。

波形第三部分的变化影响喷射滴的速度和直径。因此,在第二次下降时间内的斜率和电压差值(t5)是非常重要的。图1.3.1和图1.3.2显示了第3个停留电压降低的结果(U5,6),测试设置根据3.1。第三次停留时间(固定电压)的增加也导致了类似的结果。

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▲ 图1.3.1 降低第三段电压(U5)导致下降速度增加,使用波形按3.1

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▲ 图1.3.2 降低三分位电压(U5)时,下降速度增大;按3.1固定的所有其他参数




2.4 频率变化对于液滴的影响


有趣的是,有在f=1800Hz到f=2000Hz的范围内再次下降质量问题(图1.4.1)。类似于Positive Purdue波形,在低频处也存在小液滴喷射的问题。在3.2波形中,下降速度向高频方向略有下降(图1.4.2a),但在波形中下降速度明显增加(3.3)(图1.4.2b)。


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▲ 图1.4.1 弹射质量与信号频率的关系(异丁醇)


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▲ 图1.4.2a 下降速度与信号频率的关系


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▲ 图1.4.2b 下降速度与信号频率


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 测试溶液图


3.1 所使用的试验溶液


在测试中使用以下液体,并以各种波形喷射,以实现小微滴喷射:


  • 甘油和水的混合物(浓度从5%到80%不等)

  • 2-Methyl-1-Propanol (Isobutanol) + 3wt% ABFX-1 dye 


3.2 甘油和水混合物的粘度


流体的粘度对滴产生过程有重要影响。根据 Purdue 大学的科学家们的描述,甘油在水中的浓度对液滴发生的波形影响很大。甘油和水混合物粘度的变化是在η=2mpa和η=8mpa之间,随着甘油重量比例的增加,如图2.2.1所示。


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▲ 图2.2.1 甘油在水中的比重和粘度关系图 


3.3 2-Methyl-1-Propanol (异丁醇)粘度


检测显示:99.9%2-methyl-1-propanol(异丁醇)的粘度为η≈4.5mPas(室温=23.8°C)。这粘度在在甘油和水的混合物的粘度范围内。为了观察喷出的液滴在底物上的点,异丁醇用3wt% ABFX-1染色,这是一种含有 Rhodamin B 的水基染料。3wt%的染料将粘度降低至η≈4.2mPas(室温=23.8°C)。虽然,这种对流体的修改对液滴发生过程没有什么的影响。
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 波形示例


4.1 Negtive Purdue波, Inkjet(B6-86-03)


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4.2 Negtive Purdue波, Inkjet(B6-86-03)


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4.3 Negtive Purdue波, Inkjet(B6-86-03)


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4.4 Negtive Purdue波, Inkjet(B6-31-19)


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资料来源:美国MicroFab公司

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