實驗名稱：壓電噴墨打印實驗的系統集成與控制研究

實驗目的：

液滴的穩定噴射是決定印制導電線路產品質量的關鍵因素，本文圍繞液滴均勻穩定形成的調節目標對實驗操作參數進行控制研究。其中，利用工業相機定時拍攝的功能實時觀測持續噴射的液滴是否發生左右擺動以及偏離壓電噴頭的中心軸線，根據反饋的液滴噴射情況來調節儲液瓶的液體重心位置和改進脈沖電壓參數，可以避免衛星滴的產生和大幅地改善液滴噴射的效果。對壓電噴頭入口壓力進行了定量分析，并研究如何有效提升壓電噴墨打印的效率。調制出液體的粘度和表面張力與納米銀溶液接近的新溶液，通過實驗研究的方式來綜合確定打印該新溶液的調節與控制方法。

測試設備：功率放大器、數字示波器、函數發生器、計算機、壓電噴頭等。

實驗過程：

圖1：壓電噴墨打印實驗控制原理圖

壓電噴墨打印實驗系統主要由壓電驅動模塊、液壓供應模塊和光學相機模塊三大模塊組成，壓電驅動模塊可以為壓電噴頭的徑向擠壓變形提供動力來源，液壓供應模塊可以為壓電噴頭提供適當的入口壓力以利于噴射出形態穩定的液滴，而光學相機模塊可以觀測液滴是否發生左右擺動以及飛行軌跡是否偏離壓電噴頭中心軸線，根據觀測的液滴噴射情況對壓電驅動模塊和液壓供應模塊的控制參數進行調節，獲得噴射形態穩定的液滴，壓電噴墨打印實驗的控制原理圖如上圖所示。

一、將壓電打印頭的插入式插頭改裝成BNC接口，可以連接到高壓放大器，此時能夠聽到壓電噴頭內部發出輕微的蜂鳴聲，表明其受到脈沖電壓的激勵在正常地工作。

二、搭建液壓供應模塊，通過合理調節壓電噴頭的入口壓力，以實現壓電噴墨打印實驗中對腔室液體彎月面(meniscus)的精準控制。本文使用的打印溶液是乙醇液體，將打印液體充滿液路管以及壓電噴頭腔室，通過調節儲液瓶中液體的重心位置使打印液體既不倒吸回腔室，也不溢出形成彎月面。

圖2：光學相機模塊裝置圖

三、光學相機模塊采用像素尺寸為4.8μm，幀率為210幀/秒的工業相機，液滴觀測需要用到的實驗器材有工業相機、1倍放大鏡頭、LED燈及其控制器，光學相機模塊裝置圖如圖2所示。為了確保獲得的液滴圖像比較清晰，作用于工業相機拍照的觸發脈沖時間通常比較短，因此本文將該觸發脈沖時間設置為30μs。

實驗結果：

圖3：液滴穩定形成的入口壓力。(a)入口壓力隨電壓幅值變化關系圖；(b)不同入口壓力對應的液滴噴射速度

設置不同的電壓幅值，測得液滴穩定形成對應的最大入口壓力和最小入口壓力，如圖3(a)所示。從該圖可以看出，當電壓幅值由25V增加到50V時，壓電噴頭的最大入口壓力和最小入口壓力都在不斷地增大，并且兩者之間的壓強差由480Pa縮小為270Pa。表明輸入的電壓幅值越大，越難以調制出噴射穩定的液滴，對測試溶液以及其它操作參數的要求就會越高。

圖3(b)描述的是30V激勵電壓的作用下，液滴速度與入口壓力之間的關系。可以看出，液滴速度隨著入口壓力的減小而呈現不斷上升的趨勢，當入口壓力從-500Pa變化到-900Pa時，液滴速度從0.28m/s增加到1.03m/s。若此時入口壓力繼續減小，則液滴的噴射會出現散霧狀，不利于液滴的穩定形成。因此合理控制壓電噴頭的入口壓力，不僅可以獲得噴射形態穩定的液滴，還能有效提高液滴的出口速度。

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審核編輯 黃宇