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喷墨打印之墨滴说走就走的旅程

2019-06-10  来源:全球数字印刷工业  浏览:1404  0人参与评论
摘要: 喷墨打印技术并不是一种单一的技术,而是包含了各种互相关联的、不同领域的复合型技术。今天我们就从其中的一个小点切入,以按需喷墨打印(DOD)中压电喷墨门类下的剪切力型喷头(Top down schematicof a shear mode print head)为例为大家介绍一下这种全新的打印技术。接下来,请大家跟着小墨滴来一趟说走就走的旅行吧!

  喷墨打印技术并不是一种单一的技术,而是包含了各种互相关联的、不同领域的复合型技术。今天我们就从其中的一个小点切入,以按需喷墨打印(DOD)中压电喷墨门类下的剪切力型喷头(Top down schematicof a shear mode print head)为例为大家介绍一下这种全新的打印技术。接下来,请大家跟着小墨滴来一趟说走就走的旅行吧!

 

  出发前的准备

  剪切力型的DOD打印头上有一个小腔室,腔室的一侧连接有供给管,供给管连接着储存墨水的墨囊,在腔体的另一侧有喷嘴出口。小墨滴进入小腔室之后,便开始等待旅行的开始。

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图2剪切力型打印喷头

  喷头喷射

  压电元件(PZT)靠近腔体通道的上半部分,在PZT上施加电压后,由于压电效应,通道的上半部分变形,下半部分不变,使得通道成为人字形。腔体体积的突然减小,将产生能够喷出小液滴所需的脉冲压力。由于压力波会将液体从喷孔处推挤,形成一个长液带因此,如果有足够的能量可以克服液体的表面能,液体就会由喷孔喷出(图3)。

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图3液体在喷口附近的受力情况

  紧接着,压力波经过在容腔内的传递,由闭口端反射而来的负压力波将喷出的液体带回,使得喷嘴喷出的细流发生缩颈和剪断,形成有球茎状头端的无约束液带。小液滴也就终于从打印喷头上脱落下来开始自由飞翔啦。

  墨滴飞行

  图中第一行右侧可以看出,在飞行过程中,小液滴身后往往还会有个小尾巴。这个因小曲率半径而被剪断的尾巴末端压力较高,尾部的液体向小液滴的球茎状头端流动,出现长液带退缩现象。在长液带收缩期间,靠近球茎状头端的第二个缩茎逐渐发展,缩茎的半径不断缩小,直至一个小液滴分裂成了两个,其中大的叫做主液滴,小的叫做卫星液滴。

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图4通过机器视觉系统捕捉的一组墨滴下落瞬间的照片

  卫星液滴与主液滴合并时,剩余的表面能会转换为液滴中液体的动能,当能量在动能和表面能之间来回转换时,小液滴的表面将发生振荡,情况如上图(图4)第二行右侧所示。小墨滴的实际飞行中还有可能碰到各种各样的意外情况,例如:在喷墨过程中,当点间距相同的情况下,在PZT上施加的脉冲电压频率越高,喷墨打印的效率越高。但是,如果液滴的喷射频率太高,会使得喷头上相邻喷头所连接的腔体之间发生串扰,脉冲电压需要保证在一定范围之内。

 

  墨滴安家

  小墨滴在空中飞行时,实际的飞行路线还会受到气流颠簸的影响,但不论如何,小墨滴现在终于平安到达了基底。为了保证打印图形的精度,以及保证打印的图形电路能够完成特定的功能,我们需要小墨滴整齐的在基底上手拉手排好队。

  小墨滴单个沉积在基底上就是一个点,不过,当墨滴与墨滴相互非常接近的时候,它们就会组建成新的结构。下图显示了一组打印的线条,墨滴的点间距从左往右逐渐减小。

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图5一组打印在特定基底上的墨滴线段

  上图中,c线中的小墨滴是排队最整齐的,队伍的边缘最光滑,队伍的形状最优。队伍的形状也和基底的温度有关,但如果小液滴中的溶剂易挥发,即使是基底温度不是很高,在大量材料沉积,或者点间距很小的情况下,打印出来的线条也会出现膨胀(图4d)甚至堆叠出硬币的形状(图5e和图6)。小墨滴会堆叠出硬币形状是因为前一个墨滴落在基底上后,溶剂已经部分挥发,后一个墨滴再滴上时与第一个墨滴的会形成重叠与边界区域。此外,小液滴还存在一定的流动性,这种流动性也会影响边界的具体形态(图7)。

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图6打印的电子元件线条出现硬币状堆叠

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图7边界的边缘部分的流动出弧线形

  将数据罗列在下图(图8)中的二维坐标上,可以发现针对含有特定溶剂的墨滴需要在特定的温度下打印,这就要求保证小墨滴落下的时间间隔(delay)与墨滴间距(dotspacing)在一个合适的组合范围内。过高的基底温度、过长的时间间隔、或者过小的墨滴间距都有可能导致打印线条堆叠成硬币状;而在基底温度较低的情况下,过短的时间间隔或过大的墨滴间距,又会导致打印出的线条于基底上扩散等一系列其他问题。

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图8时间间隔与墨滴间距对于打印线条的影响

  至此为止,小墨滴从墨囊出发,由腔室经过喷头喷射、飞行、冲击、扩散,最终在基底这一新家上凝固,有序地入住新居!小墨滴的旅程也就告一段落了。


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