應(yīng)用于微滴噴射的墨水特性參數(shù)仿真研究及驗(yàn)證

李思祥 楊建飛,2 邱鑫,2 楊繼全,2 王浩亮

（1.南京師范大學(xué)江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省南京市 210042）

（2.南京智能高端裝備產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 江蘇省南京市 210042 3.江蘇遠(yuǎn)東電機(jī)制造有限公司 江蘇省泰州市 225500）

微液滴的噴射原理涉及到墨滴的形成和斷裂，根據(jù)研究表明墨滴的斷裂時(shí)間與其表面張力成正比，與其黏度成反比[1]。合適的墨水粘度和表面張力對(duì)良好液滴形態(tài)的形成，減少墨霧或衛(wèi)星液滴、提高打印質(zhì)量起到關(guān)鍵作用[2]。在微滴噴射打印過程中，可以通過改變溫度來(lái)改變墨水的粘度和表面張力。因此，研究墨滴粘度和表面張力對(duì)其形態(tài)變化的影響規(guī)律，優(yōu)化打印時(shí)墨水的所需溫度對(duì)打印物體的成型質(zhì)量起著重要的影響。

在微滴噴射數(shù)值仿真方面，史敏通過VOF 法建立可變液滴大小和噴射速度的仿真模型,得出墨滴粘度和表面張力對(duì)墨滴成型影響的結(jié)論[3]。史永晶模擬了壓電噴頭的墨水粘度、噴射速度和墨滴著落的過程，通過壓力和流速確定了最佳噴嘴結(jié)構(gòu)[4]。Wijshoff Н針對(duì)壓電噴頭機(jī)構(gòu)等從液滴噴射實(shí)驗(yàn)中得出內(nèi)外徑差與驅(qū)動(dòng)電壓成正比的結(jié)論[5]。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴頭特性以及噴頭驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)液滴成型影響方面做了很多研究工作，而在墨水特性參數(shù)對(duì)噴射液滴的影響上的研究還尚有不足，對(duì)墨水特性參數(shù)優(yōu)化的研究也不充分。

本文主要仿真研究微滴噴射過程中液滴的實(shí)時(shí)形態(tài)變化，建立微滴噴射動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究在不同墨水特性（墨水粘度和表面張力）參數(shù)下液滴成型情況的變化，并進(jìn)行微滴噴射實(shí)驗(yàn)，用CCD 液滴觀測(cè)儀來(lái)觀測(cè)液滴的成型情況，確定打印時(shí)最優(yōu)的墨水溫度以達(dá)到最優(yōu)的噴射效果。

1 微滴噴射仿真方案

墨水特性中墨水粘度和表面張力對(duì)液滴噴射效果有較大影響，為取得液滴最佳噴射效果下的最優(yōu)墨水粘度、表面張力參數(shù)，本文分別對(duì)墨滴在不同的粘度、表面張力下進(jìn)行仿真模擬噴射。對(duì)墨水粘度的仿真先保持墨水表面張力和噴射速度不變，不斷改變墨水粘度進(jìn)行多組仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)墨水表面張力的仿真則先保持墨水粘度和噴射速度不變，不斷改變表面張力進(jìn)行多組仿真實(shí)驗(yàn)。

目前使用的墨水黏度大約在1～50cp，表面張力一般在10～70 mN/m，市噴頭噴射速度一般為8m/s，墨水入口速度一般6m/s，所以具體仿真方案為：

（1）墨水粘度仿真實(shí)驗(yàn)：設(shè)置表面張力為30 mN/m，入口速度為6ms，設(shè)置粘度參數(shù)分別為1cp、9cp、15cp、45cp 的情況下進(jìn)行4 組仿真實(shí)驗(yàn)。

（2）墨水表面張力仿真實(shí)驗(yàn)：設(shè)置墨水粘度為15cp，入口速度為6m/s，設(shè)置表面張力參數(shù)分別為12 mN/m、22 mN/m、32 mN/m、42 mN/m 的情況下進(jìn)行4 組仿真實(shí)驗(yàn)。

2 微滴噴射仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 粘度仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

（1）在以墨水粘度作為變量的仿真實(shí)驗(yàn)中，在仿真參數(shù)設(shè)置里設(shè)置表面張力為30mN/m，入口速度6m/s，分別設(shè)置粘度參數(shù)為1cp、9cp、15cp、45cp 進(jìn)行4 組仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果選取的是液滴噴射過程流場(chǎng)相圖，這樣可以清晰的觀測(cè)液滴在噴射過程中的形態(tài)變化，液滴噴射是個(gè)連續(xù)的過程，為了更好地觀測(cè)液滴變化情況，我們分別截取30、60、100、150μs 四個(gè)時(shí)間段的液滴流場(chǎng)相圖進(jìn)行比較，4 組仿真結(jié)果如圖1 所示。

（2）仿真結(jié)果分析：在墨水粘度分別為1cp、9cp、15cp、45cp 的情況下觀察液滴的噴射過程，發(fā)現(xiàn)在不同粘度的情況下，液滴滴落時(shí)間各不相同，粘度1cp 的液滴滴落最快，而粘度為45cp的液滴始終沒有滴落。

比較在不同粘度下的墨滴斷裂后是否存在明顯的衛(wèi)星滴，發(fā)現(xiàn)墨水粘度為1cp 和9cp，液滴斷裂后存在明顯的衛(wèi)星滴且墨水粘度為1cp 時(shí)的衛(wèi)星滴半徑更大，當(dāng)粘度增加到15cp 時(shí)，整個(gè)過程中無(wú)衛(wèi)星滴產(chǎn)生。

這說明墨水隨著粘度的增加，液滴拖尾的長(zhǎng)度逐漸變短，衛(wèi)星滴半徑也逐漸變小直至沒有，液滴斷裂成型時(shí)間也明顯增大。但當(dāng)粘度增加到45cp 時(shí)，墨滴全程沒有斷裂開，并在100μs 時(shí)出現(xiàn)回縮。

綜上所述，當(dāng)粘度較小時(shí)，液滴易破碎，且?guī)в行l(wèi)星滴，不易打印成型，當(dāng)材料粘度較高時(shí)，墨滴無(wú)法快速?gòu)膰婎^噴出，嚴(yán)重影響材料的成型精度。

2.2 表面張力仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

（1）在以墨水表面張力作為變量的仿真實(shí)驗(yàn)中，在仿真參數(shù)設(shè)置里設(shè)置粘度參數(shù)為15cp，入口速度6m/s，分別設(shè)置表面張力參數(shù)為2mN/m、22mN/m、32 mN/m、42mN/m 進(jìn)行4 組仿真實(shí)驗(yàn)，本次仿真我也截取四個(gè)時(shí)間段的液滴流場(chǎng)相圖進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖2 所示。

（2）仿真結(jié)果分析：將上述4 組仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在表面張力分別為12mN/m、22mN/m、32 mN/m、42mN/m 情況下，主液滴與拖尾液滴的斷裂的時(shí)間分別為80μs、70μs、65μs、55μs，可以看出隨著表面張力增加，液滴斷裂脫離的時(shí)間不斷變短。

比較在不同表面張力下的液滴斷裂后拖尾情況，發(fā)現(xiàn)表面張力為12mN/m 拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)表面張力達(dá)到32mN/m 時(shí)，液滴已無(wú)明顯拖尾情況。

綜上所述，表面張力的太小影響液滴的形狀以及液滴斷裂成型時(shí)間，表面張力大小不合適可能會(huì)造成液滴形狀不均勻，影響打印效果。因此合適的表面張力有利于液滴的快速斷裂以及良好形態(tài)的形成。

3 微滴噴射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本次仿真結(jié)果的可靠性，在微滴噴射三維打印成型平臺(tái)進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用Galaxy JA256/80 AAA 陣列式噴頭型號(hào)噴頭，使用UV 固化墨水，并利用高速CCD 液滴觀測(cè)儀觀測(cè)液滴打印過程中形態(tài)變化。

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們通過溫度負(fù)壓控制板來(lái)改變墨水的溫度以實(shí)現(xiàn)墨水的粘度和表面張力調(diào)節(jié)，該控制板以TMS320F28035 為主芯片，通過AD 模塊實(shí)時(shí)采集溫度參數(shù)。溫度控制回路主要由熱電阻（NTC-3950-100k-1%精度）和加熱棒組成，熱電阻和加熱棒均直接放入噴頭加熱裝置插口內(nèi)，因?yàn)槟罱K是要輸送到噴頭完成噴射任務(wù)，采用外部加熱方式然后再輸送至噴頭的過程中會(huì)造成熱量耗散，不利于墨水粘度的控制，所以采用在噴頭內(nèi)部完成對(duì)墨水加熱以及采樣的方式。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上溫度從20℃-30℃每隔1℃進(jìn)行一組噴射實(shí)驗(yàn)，并用CCD 液滴觀測(cè)儀進(jìn)行墨滴噴射過程實(shí)時(shí)觀測(cè)，得到與仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的11 組數(shù)據(jù)。

圖1：不同墨水粘度下液滴流場(chǎng)相圖

圖2：不同表面張力下的液滴流場(chǎng)相圖

圖3：實(shí)際液滴噴射成型過程圖像

比較實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，當(dāng)墨水溫度為27℃，此時(shí)粘度為13cp，觀察到的液滴如圖3 所示，墨水成型效果最佳，液滴斷裂、成型過程良好，成球飽滿度高，并且均無(wú)衛(wèi)星滴產(chǎn)生，能夠很好滿足微滴噴射打印的實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本文利用COMSOL 有限元仿真軟件在微滴噴射過程進(jìn)行仿真研究，確定了墨水粘度和表面張力等工藝參數(shù)對(duì)微液滴成型的影響規(guī)律。根據(jù)仿真結(jié)果，我們?cè)谖⒌螄娚?D 打印平臺(tái)進(jìn)行了微滴噴射實(shí)驗(yàn)，通過改變墨水溫度來(lái)優(yōu)化打印時(shí)的墨水粘度和表面張力，并用CCD 液滴觀測(cè)儀拍攝了液滴的噴射過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面所使用的UV 墨水最佳打印溫度為27℃，此時(shí)墨水粘度為13cp，表面張力為31mN/m，液滴斷裂、成型過程良好，成球飽滿度高，并且均無(wú)衛(wèi)星滴產(chǎn)生，與仿真結(jié)果相驗(yàn)證，可以很好地滿足微滴噴射打印要求。