應用于微滴噴射的墨水特性參數仿真研究及驗證

李思祥 楊建飛,2 邱鑫,2 楊繼全,2 王浩亮

（1.南京師范大學江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室 江蘇省南京市 210042）

（2.南京智能高端裝備產業研究院有限公司 江蘇省南京市 210042 3.江蘇遠東電機制造有限公司 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，根據研究表明墨滴的斷裂時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良好液滴形態的形成，減少墨霧或衛星液滴、提高打印質量起到關鍵作用[2]。在微滴噴射打印過程中，可以通過改變溫度來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其形態變化的影響規律，優化打印時墨水的所需溫度對打印物體的成型質量起著重要的影響。

在微滴噴射數值仿真方面，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墨滴成型影響的結論[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構[4]。Wijshoff Н針對壓電噴頭機構等從液滴噴射實驗中得出內外徑差與驅動電壓成正比的結論[5]。綜上所述，國內外學者對噴頭特性以及噴頭驅動電壓對液滴成型影響方面做了很多研究工作，而在墨水特性參數對噴射液滴的影響上的研究還尚有不足，對墨水特性參數優化的研究也不充分。

本文主要仿真研究微滴噴射過程中液滴的實時形態變化，建立微滴噴射動力學仿真模型，研究在不同墨水特性（墨水粘度和表面張力）參數下液滴成型情況的變化，并進行微滴噴射實驗，用CCD 液滴觀測儀來觀測液滴的成型情況，確定打印時最優的墨水溫度以達到最優的噴射效果。

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墨水粘度、表面張力參數，本文分別對墨滴在不同的粘度、表面張力下進行仿真模擬噴射。對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行多組仿真實驗。對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行多組仿真實驗。

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）墨水粘度仿真實驗：設置表面張力為30 mN/m，入口速度為6ms，設置粘度參數分別為1cp、9cp、15cp、45cp 的情況下進行4 組仿真實驗。

（2）墨水表面張力仿真實驗：設置墨水粘度為15cp，入口速度為6m/s，設置表面張力參數分別為12 mN/m、22 mN/m、32 mN/m、42 mN/m 的情況下進行4 組仿真實驗。

2 微滴噴射仿真實驗及結果分析

2.1 粘度仿真實驗及結果分析

（1）在以墨水粘度作為變量的仿真實驗中，在仿真參數設置里設置表面張力為30mN/m，入口速度6m/s，分別設置粘度參數為1cp、9cp、15cp、45cp 進行4 組仿真實驗，仿真結果選取的是液滴噴射過程流場相圖，這樣可以清晰的觀測液滴在噴射過程中的形態變化，液滴噴射是個連續的過程，為了更好地觀測液滴變化情況，我們分別截取30、60、100、150μs 四個時間段的液滴流場相圖進行比較，4 組仿真結果如圖1 所示。

（2）仿真結果分析：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，發現在不同粘度的情況下，液滴滴落時間各不相同，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星滴，發現墨水粘度為1cp 和9cp，液滴斷裂后存在明顯的衛星滴且墨水粘度為1cp 時的衛星滴半徑更大，當粘度增加到15cp 時，整個過程中無衛星滴產生。

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

綜上所述，當粘度較小時，液滴易破碎，且帶有衛星滴，不易打印成型，當材料粘度較高時，墨滴無法快速從噴頭噴出，嚴重影響材料的成型精度。

2.2 表面張力仿真實驗及結果分析

（1）在以墨水表面張力作為變量的仿真實驗中，在仿真參數設置里設置粘度參數為15cp，入口速度6m/s，分別設置表面張力參數為2mN/m、22mN/m、32 mN/m、42mN/m 進行4 組仿真實驗，本次仿真我也截取四個時間段的液滴流場相圖進行比較，仿真結果如圖2 所示。

（2）仿真結果分析：將上述4 組仿真結果進行對比，發現在表面張力分別為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，發現表面張力為12mN/m 拖尾現象嚴重，當表面張力達到32mN/m 時，液滴已無明顯拖尾情況。

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間，表面張力大小不合適可能會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的形成。

3 微滴噴射實驗觀測驗證

為了驗證本次仿真結果的可靠性，在微滴噴射三維打印成型平臺進行噴射實驗。實驗選用Galaxy JA256/80 AAA 陣列式噴頭型號噴頭，使用UV 固化墨水，并利用高速CCD 液滴觀測儀觀測液滴打印過程中形態變化。

在實驗過程中，我們通過溫度負壓控制板來改變墨水的溫度以實現墨水的粘度和表面張力調節，該控制板以TMS320F28035 為主芯片，通過AD 模塊實時采集溫度參數。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，因為墨水最終是要輸送到噴頭完成噴射任務，采用外部加熱方式然后再輸送至噴頭的過程中會造成熱量耗散，不利于墨水粘度的控制，所以采用在噴頭內部完成對墨水加熱以及采樣的方式。

在實驗平臺上溫度從20℃-30℃每隔1℃進行一組噴射實驗，并用CCD 液滴觀測儀進行墨滴噴射過程實時觀測，得到與仿真實驗相對應的11 組數據。

圖1：不同墨水粘度下液滴流場相圖

圖2：不同表面張力下的液滴流場相圖

圖3：實際液滴噴射成型過程圖像

比較實驗所得數據，當墨水溫度為27℃，此時粘度為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，并且均無衛星滴產生，能夠很好滿足微滴噴射打印的實驗要求。

4 結論

本文利用COMSOL 有限元仿真軟件在微滴噴射過程進行仿真研究，確定了墨水粘度和表面張力等工藝參數對微液滴成型的影響規律。根據仿真結果，我們在微滴噴射3D 打印平臺進行了微滴噴射實驗，通過改變墨水溫度來優化打印時的墨水粘度和表面張力，并用CCD 液滴觀測儀拍攝了液滴的噴射過程。實驗結果表面所使用的UV 墨水最佳打印溫度為27℃，此時墨水粘度為13cp，表面張力為31mN/m，液滴斷裂、成型過程良好，成球飽滿度高，并且均無衛星滴產生，與仿真結果相驗證，可以很好地滿足微滴噴射打印要求。