CN116100956B - 一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方法以及一种夹具 - Google Patents

一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方法以及一种夹具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方法及一种夹具，属于电流体喷印技术领域。该系统包括喷头结构、供液系统、信号发生单元以及高压电源单元，喷头结构包括储墨管、固定在其外壁的压电陶瓷和置于其内部的金属丝状电极，压电陶瓷包括两个金属电极，正极与信号发生单元连接，负极接地，金属丝状电极与高压电源单元连接；供液系统包括依次连接的供墨软管、储液瓶、通气软管以及气压调节单元。本发明基于管道内一维压力波的叠加原理和脉动流场理论，可以使喷射频率高达兆赫兹量级，较传统的电流体动力喷印提升了2～3个数量级，并且单次射流体积小，打印精度高，可以以灵活、经济的方式实现高精度和高效率的按需打印。

Description

一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方 法以及一种夹具
技术领域
本发明属于电流体喷印技术领域，具体涉及一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方法以及一种夹具。
背景技术
电流体动力喷印技术是基于泰勒锥效应，即通过在喷头和与之相对的基板之间施加高强电场，喷孔处的墨水在电应力的作用下逐渐被“拉”出喷孔，在喷孔处形成弯液面，随着弯液面内液体体积逐渐增大，球面状的弯液面将在电应力的作用下逐渐变为轴对称的锥形；相对于锥形的其他位置，锥顶的液面曲率最大；并且锥顶液面的曲率会在电应力的作用下越来越大；同时，曲率的增大又会进一步增大电场的“尖端效应”，从而加速锥顶液面的变形速度。当锥顶处液面所受的电应力超过液面本身的表面张力时，锥顶处的液体就会形成射流喷射。
由于喷射后锥顶电荷被释放，喷射后的锥顶液面所受的电应力急剧下降，此时表面张力和电应力的平衡被打破，在表面张力的作用下，会在整个泰勒锥的表面会形成毛细波，表现为液面振荡。所用的喷嘴直径越大，泰勒锥体积就越大，喷射后液面的振荡的时间就越长。喷射之后，泰勒锥体积变小，锥顶处液面的曲率也随之变小，必须由电应力继续作用一段时间之后，泰勒锥的体积才能得到补充，锥顶的曲率才能逐渐由小变大，并最终在电应力超过表面张力时，形成下一次喷射。喷射后，在电应力的继续作用下，泰勒锥顶部的液面曲率会随着泰勒锥的体积增大而增大。
对于电流体动力喷印来说，当在喷头和承印的基板之间施加高强直流电场时，最大喷射频率完全却决于上述的毛细波振荡时间和泰勒锥体积恢复时间。而上述的两个时间受施加于喷头和基板之间的电势差影响很大。I.A.Aksay、C.-H.Chen和D.A.Saville提出喷孔的射流频率与电场强度的平方成正比。当增加喷嘴电势时，喷嘴弯液面尖端处的电场强度增大，打印频率频率提升，其单次射流量也会随之增大，无法按需调整单次射流的体积。为了获得更高的打印分辨率时，需要降低喷嘴与基板间的电势差，打印频率又会不可避免地随之降低，难以在获得高打印精度的同时兼顾高的打印频率。虽然采用高压直流电时，可以达到最高几千赫兹的喷射频率，但是喷射频率难以精确调控，而且单次射流体积无法独立调节，因此无法做到单个液滴的按需喷射。
通常，按需的电流体动力喷射需要采用脉冲形式的高压直流电，通过控制高压脉冲的持续时间，达到一个高压脉冲一次喷射，或者一个高压脉冲多次喷射的目的。目前市场上的按需电流体喷射设备更多是采用具有一定电压偏置的高压脉冲直流电。相较于零电压偏置的高压脉冲直流电来说，带偏置的脉冲直流电可以在非射流喷射时间内继续保持电应力的作用，从而可以在很大程度上减弱喷射后的毛细波振荡，使喷射后的泰勒锥保持一定高度，从而缩短两次喷射之间的时间间隔，提高按需喷射的打印频率。但是，即便采用带有电压偏置的高压脉冲直流电，受毛细波振荡时间和泰勒锥体积恢复时间的制约，其最大喷射频率一般也难以超过几千赫兹。
另外，对于高粘度的墨水来说，比如PaS量级的粘度，不仅喷射后泰勒锥体积恢复所需的时间很长(高粘度导致喷孔处的流量减小)，受墨水粘度的影响，射流的断裂过程本身也需要较长的时间。如果两个高压脉冲之间的间隔太小，就会导致射流不能正常断裂，导致连续的射流状态或者其他一些不可控的射流状态。所以对于高粘度的墨水来说，其极限按需喷射频率往往更低，通常不超过一千赫兹。
综上所述，对于低粘度的墨水来说，其极限喷射频率主要取决于喷射后的毛细波振荡时间和泰勒锥体积恢复时间；对于高粘度的墨水，极限喷射频率还受限于射流的粘性断裂时间。以上三个时间叠加之后，导致目前的电流体动力喷印技术有着较低的理论上限。目前提升打印频率的方式通常是使用半径更小的喷嘴以及施加更高的电压来缩小毛细波振荡时间、泰勒锥体积恢复时间和射流的粘性断裂时间。但是当喷嘴尺寸小于10um时会变得极易堵塞，更高的电压虽然可以缩短泰勒锥体积恢复时间，但是其又会导致喷射液滴体积增大，放电击穿概率增大等问题，无法满足高效高精度打印的需求。亟需开发出一种全新的电流体动力喷射机制，提高其打印频率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统、方法以及一种夹具，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现发明目的1，采用以下技术方案：
一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统，包括喷头结构、供液系统、信号发生单元以及高压电源单元，所述喷头结构包括储墨管、固定在储墨管外壁的压电陶瓷和置于储墨管内部的金属丝状电极，所述压电陶瓷包括两个金属电极，正极与信号发生单元连接，负极接地，所述金属丝状电极与高压电源单元连接；所述供液系统包括依次连接的供墨软管、储液瓶、通气软管以及气压调节单元。
进一步地，所述储墨管顶部为墨水入口端，底部为逐渐收缩的喷孔，喷孔的直径为几微米至几十微米，所述喷孔正下方设有基板，基板与喷孔之间的距离为几十微米至几百微米。
进一步地，所述墨水入口端与供墨软管一端连接，供墨软管另一端插入到密闭的储液瓶中的墨水中，储液瓶通过通气软管与气压调节单元连接。
进一步地，所述压电陶瓷为贴在储墨管外壁的长条状压电陶瓷或套在储墨管外壁的管状压电陶瓷，压电陶瓷位于储墨管的中部，通过粘接剂与管壁实现机械耦合。
进一步地，所述高压电源单元根据实际需要选择高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源。
进一步地，所述信号发生单元包括信号发生器、单片机或者其他任意的可以产生低压脉冲的设备，用于产生CMOS或TTL电平信号。
为了实现发明目的2，采用以下技术方案：
一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，采用如上所述的超高频电流体动力喷射系统，所述受约束表面为墨水在喷孔边沿形成的弯液面，首先调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，其次通过高压电源单元对墨水和基板之间施加直流或交流电压，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出；之后通过信号发生单元产生方波信号来激励压电陶瓷，在数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，进入高频喷射模式，喷射频率与压电陶瓷激励频率同频。
进一步地，所述压电陶瓷工作在特定的激励频率f会产生压力波叠加效果，从而使喷孔处的弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大，所述激励频率f由储墨管的长度L和压力波在墨水中的传播速度c决定，三者满足如下任意一种关系：
第一种关系：f＝(2n-1)*c/4L，其中n为大于等于1的正整数；
第二种关系：f＝c/(4mL)，其中m为大于等于1的正整数；
所述激励频率的最大值fmax小于1.84c/2πR，其中R为储墨管内径。
进一步地，所述压电陶瓷激励电压为峰峰值低于10V的方波。
进一步地，该喷射方法应用在打印过程中，实现连续或按需打印。
为了实现发明目的3，采用以下技术方案：
一种夹具，用于如上所述的超高频电流体动力喷射系统，包括两个合板和一个紧定螺钉，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，所述储墨管嵌设在竖直通孔中；其中一个合板设有与竖直通孔连通的水平通孔，压电陶瓷设置在水平通孔内，所述紧定螺钉与水平通孔螺纹连接，通过旋转紧定螺钉调整压电陶瓷与储墨管壁间的压力。
进一步地，所述紧定螺钉和压电陶瓷之间设有金属盖板，所述储墨管和竖直通孔之间设有四个橡胶垫条。
本发明带来的有益技术效果：
1、打印频率可以高达兆赫兹量级，打印频率较传统的电流体动力喷印提升了2～3个数量级。本发明充分利用压电陶瓷的超高频振动特性以及充液管道内一维压力波的叠加原理，将弯液面按照强迫振动的方式进行超高频振荡，大大加快了其在电应力作用下泰勒锥的形成时间，有效避免了传统电喷印高频射流时会激发弯液面高阶振荡模态的弊端。通过调节储墨管几何尺寸和压电陶瓷的激励频率来控制电喷印的频率，实现超高频打印，解决了传统电流体喷印装备频率无法提升的问题，能够实现兆赫兹量级的超高频高精度按需打印。
2、单次射流体积小，打印精度高。由于本发明打印频率高达兆赫兹量级，单次射流的喷射时间可以短至微秒甚至亚微秒量级，所以使用同样大小的喷孔，本发明打印的墨滴体积远小于传统的电流体动力喷印方法。而且，管道内压力波对喷嘴处弯液面所产生的强迫振动，能够在很大程度上避免喷孔易堵塞的问题，有利于进一步减小喷孔尺寸，获得更高的打印精度。
3、可以灵活、经济的实现按需喷射。本发明不仅可以实现上述的超高频率连续打印，还可以以非常灵活和经济的方式实现按需打印。利用本发明实现的按需打印，无需高压脉冲电源，只需利用最普通的高压直流电源在墨水和基板之间施加一个电势差即可，液滴的按需喷射由施加在压电陶瓷上幅值不超过10V的脉冲激励控制。因此可以方便的利用信号发生器、单片机或者其他任意的可以产生低压脉冲的设备所产生的CMOS或者TTL电平信号，来激励压电陶瓷，实现按需喷射。
附图说明
图1为本发明中超高频电流体动力喷射系统结构示意图；
图2为本发明中管状压电陶瓷和喷头结构示意图；
图3为储墨管道中的1阶声波传播示意图；
图4为无直流电场弯液面起振过程示意图；
图5为直流电场弯液面起振过程示意图；
图6为储墨管道中的1/3阶声波传播示意图；
图7为无诱导电场情况下的单周期弯液面振荡示意图；
图8为高压直流诱导电场情况下的单周期弯液面振荡射流示意图；
图9为回吸不同时刻喷孔处流场的速度分布示意图；
图10为本发明中夹具结构俯视剖面图；
图11为直流电场持续脉冲连续打印系统结构示意图；
图12为直流电场脉冲串按需打印系统结构示意图；
图13为交流电场持续脉冲连续打印系统结构示意图；
图14为交流电场脉冲串按需打印系统结构示意图；
其中，1-储墨管；2-压电陶瓷；3-金属丝状电极；4-供墨软管；5-正极；6-负极；7-墨水入口端；8-喷孔；9-储液瓶；10-通气软管；11-气压调节单元；12-高压电源单元；13-基板；14-信号发生单元；15-弯液面；16-墨水；17-合板；18-铰链；19-固定卡扣；20-竖直通孔；21-水平通孔；22-矩形槽；23-紧定螺钉；24-金属盖板；25-橡胶垫条；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射系统，如图1所示，包括喷头结构、供液系统、信号发生单元14以及高压电源单元12；
喷头结构包括储墨管1、固定在储墨管1外壁的压电陶瓷2和置于储墨管内部的金属丝状电极3，金属丝状电极用于为墨水供电；储墨管1由玻璃材料制成，其顶部为墨水入口端7，底部为逐渐收缩的喷孔8，喷孔8的直径为几微米至几十微米，为了防止管道内平面压力波在喷头尖端处的空腔内壁上产生折射，喷头尖端空腔内壁优选的锥角小于15°61′；喷孔8正下方设有基板，基板接地，基板与喷孔8之间的距离为几十微米至几百微米；压电陶瓷2为贴在储墨管1外壁的长条状压电陶瓷或套在储墨管1外壁的管状压电陶瓷，图1中使用的是长条状压电陶瓷，管状压电陶瓷如图2所示，通过环氧树脂或其他的粘接剂与管壁实现牢固的机械耦合。压电陶瓷2包括两个金属电极，正极5与信号发生单元14连接，负极6接地。压电陶瓷2位于储墨管1的中部，以获得喷射频率与激励频率同频的喷射效果。
供液系统包括依次连接的供墨软管4、储液瓶9、通气软管10以及气压调节单元11，墨水入口端7与供墨软管4一端连接，供墨软管4另一端插入到密闭的储液瓶9中的墨水中，储液瓶9通过通气软管10与气压调节单元11连接。供液系统的作用有以下三点：第一，保证在非喷射时间范围内，弯液面15处于一个合适的形状和高度；第二，在喷射过程中保证背压稳定的持续供液；第三，通过背压大小可以调整弯液面15振荡幅值，从而调节射流的体积。
高压电源单元12正极与金属丝状电极3连接，负极与基板进行接地连接，高压电源单元12根据实际需要选择高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源等高压发生设备，金属丝状电极3可根据需求施加高压直流电、带有电压偏置的脉冲直流或者正负脉冲形式的交流电。
信号发生单元14包括信号发生器、单片机或其他任意的可以产生低压脉冲的设备，用于产生CMOS或TTL电平信号。
一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，采用如上所述的超高频电流体动力喷射系统，受约束表面为墨水在喷孔边沿形成的弯液面，首先调节供液系统，弯液面形状稍微内凹，其次通过高压电源单元对墨水和基板之间施加直流或交流电压，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出；之后通过信号发生单元产生方波信号来激励压电陶瓷，在数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，进入高频喷射模式，喷射频率与压电陶瓷激励频率同频。
弯液面受管道内周期性变化的压力波作用，呈现出周期性的外凸和内凹，振荡过程中，弯液面的底部始终受喷孔边沿的约束，故称之为受约束的液体表面振荡。当墨水和基板之间没有电势差的时候，两者之间没有电场，故没有电应力作用在喷孔处的弯液面上；此时弯液面的振荡只受储墨管内传播的压力波驱动。弯液面15的振荡频率与管道内喷口端的压力波同频，管道内周期性变化的压力波由耦合在管道侧壁的条状压电陶瓷在长度方向上周期性的伸缩振动所引起的，也可以由套在管道上的管状压电陶瓷管在其半径方向上周期性的振动引起。压电陶瓷的周期性振动可使与之贴合的管壁产生同频的形变，从而在管道内产生与压电陶瓷振动同频的压力波。
以压电陶瓷处于储墨管1的中部，压电陶瓷激励频率等于管道内液柱的一阶谐振频率为例，由管道内传播的压力波所驱动的液面振荡具体过程如图3所示。在t＝0时刻，激励信号的上升沿使条状压电陶瓷在其长度方向上的伸长，压电陶瓷在其长度方向的伸长将会拉伸与之耦合的管壁，从而在管道内部产生一个负压力波，负压力波之后一分为二，并沿管道向两侧传播，在t＝L/2c时刻分别到达储墨管1的上下两端，L和c分别为储墨管的长度和压力波在墨水中的传播速度。如上所述，储墨管1的上端与供墨软管相连，且供墨软管内墨水的截面积要大于储墨管1内墨水的截面积，所以对于在储墨管1传播的压力波而言，其相当于一个开口端，正压力波在此处将转变为负压力波并被反射回来；在储墨管的另一端为锥形的喷孔，由于墨水在喷孔处的截面积远小于其在储墨管1内的截面积，压力波能量透过喷孔损失的很少，大部分被反射回去，所以此处为压力波传播的闭口端。在t＝L/2c时刻，由于负压力波到达喷墨孔，所以喷孔处的弯液面将被回吸，形成内凹的形状。由于储墨管1的长径比远大于1，所以压力波在储墨管1内的传播符合一维管道声学原理，在t＝3L/2c时刻，在开口端由负压力波转变而成的正压力波将到达喷孔，此时喷孔处的弯液面将被挤出，呈现出外凸的形状。假设在t＝2L/c时刻，激励信号的下降沿使压电陶瓷在长度方向上缩短，在长度方向上压缩储墨管1使其内部产生正压力波，在这一时刻，由压电陶瓷之前在长度方向伸长所产生的两路负压力波液恰好变为正压力波并在中间位置相遇，并于新产生的正压力波叠加；此刻储墨管1的中部将有一个幅值更大的正压力波，并一分为二，继续向管道两侧传播；其中的一路在t＝5L/2c时刻到达喷孔处，此时喷孔处的弯液面进一步被挤出，液面向外凸出的高度增加。在t＝7L/2c时刻，负压力波到达喷孔，弯液面被回吸；4L/c时刻，压电陶瓷的激励信号的上升沿再次在管内产生负压力波，并于之前的两路在中心相遇的负压力波叠加。在t＝9L/2c时刻，弯液面将再次被到达喷孔处的负压力波回吸。压电陶瓷变形所产生的压力波在管道内的反复叠加，将使喷孔处的弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大，如图4所示。经过数个振荡周期之后，达到其振幅的最大值，之后不再随振荡次数增加而增大。弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大的过程被定义为其起振过程。当在喷孔与基板之间施加直流电场时，弯液面起振以及首次射流的过程如图5所示。
上述压力波反复叠加的好处在于，可以用极低的压电陶瓷激励电压产生大振幅的弯液面振荡。压电陶瓷可输入多种激励信号，包括但不限正弦波，梯形波，三角波等其他周期性的波形，优选的，得益于方波信号的上升沿和下降沿时间较短，可以使压电陶瓷产生更快的变形和更强的压力波，所采用的压电陶瓷激励电压通常为峰峰值低于10V的方波。
根据一维管道声学理论，压电陶瓷只有工作在特定的激励频率f才会产生上述的压力波叠加效果。所述的压电陶瓷特定的激励频率f由储墨管的长度L和压力波在墨水中的传播速度c决定，三者之间满足如下任意一种关系：
第一种关系：f＝(2n-1)*c/4L,其中n为大于等于1的正整数；
第二种关系：f＝c/(4mL),其中m为大于等于1的正整数；
图3所示的为n＝1的情况，储墨管内的液柱处于其一阶谐振模态；同样，对于二阶谐模态(n＝2)或者其他更高阶次的谐振，也可以达到利用低激励电压实现高振荡幅值的效果。系统工作于更高阶次的谐振频率，可以提升弯液面的振荡频率，从而达到更高的喷射频率。
压电陶瓷激励信号的最大频率受限于压力波在一维管道内传播的截止频率，通常压电陶瓷激励信号的频率fmax不大于1.84c/2πR，R为储墨管内径。
当压电陶瓷的激励频率f、L和c满足第二种关系时，压电陶瓷激励信号与管道内传播的压力波如图6所示。激励频率为管道内液柱基频的分数倍，则相应的工作周期则为液柱基频的整数倍。下一个激励信号在上一激励信号产生的压力波在储墨腔内往复数个周期以后施加，此时也可以达到利用低激励电压实现高振荡幅值的效果。但是其液面振荡频率会远低于第一种情况。此种工作模式适合要求低频打印的场合。
上述在管道内传播的压力波也可以由套在储液管外壁的管状压电陶瓷在其径向上的变形产生。
在没有电应力的作用时，弯液面仅在压力波的作用下受迫振荡，振荡过程中，弯液面受表面张力的作用，其顶部的最大曲率一般在1/r左右很小范围内波动，如图7所示。当在弯液面振荡过程中，引入电应力作用时，就会在弯液面振荡的回吸过程中产生如图8所示的射流喷射。当有电应力作用于弯液面时，在同样的压电陶瓷激励信号作用下，其振荡高度和达到最大高度时弯液面顶部的曲率都会较无电场作用时稍有增加；除此之外，有无电应力作用下的墨水挤出过程并无其他显著差异。两者的显著差异主要体现在弯液面的回吸过程。如图8所示，经过4个微秒，墨水完成了挤出过程，并在第5微秒进入回吸过程，由于弯液面的振荡是受储墨管道内部的脉动流所驱动，而脉动流场的分布由喷孔处的Womersley数Wo决定。根据脉动流理论：Wo＝R*(ωρ/μ)1/2，其中ω＝2πf，为角频率，f为脉动频率，也就是弯液面的振荡频率，ρ为墨水密度，μ为墨水粘度。
在回吸过程中，喷孔处将会呈现出如图9所示的脉动流场分布，其特征表现为喷孔中心区域的流场速度小于靠近管壁区域的流场速度，且整体流场为轴对称分布。上述速度场的分布，会导致在回吸过程中外凸的弯液面腰部区域的液体的回吸速度大于其顶部区域液体的回吸速度；另一方面，根据静电感应理论，弯液面顶部区域所受的电应力要远大于其腰部和根部区域所受的电应力，所以，电应力的作用会进一步增大顶部和腰部区域流场的速度差；当电场强度足够强时，顶部区域的流体速度的方向会与腰部和根部流体的流动方向相反，表现为弯液面高度进一步增加，顶部曲率进一步增大。在电应力和上述流场两者的综合作用下，在回吸过程中弯液面会急剧“瘦身”，其顶部的曲率迅速增加，曲率的增加又使顶部的电场强度变大，所受的电应力牵引作用进一步增强；当顶部的电应力足以克服表面张力时，便会迅速在顶部诱发射流喷射。
快速的回吸过程，不仅可以诱发上述的射流喷射，还可以加速射流根部的断裂过程。射流根部的断裂一般发生在回吸过程的末段，当绝大部分弯液面内的墨水被回吸至喷孔内的时刻。相较于传统的电流体动力喷印技术，本方法可以在很大程度上缩短射流喷射时间，从而可以减小了射流体积，提升打印精度。详见具体实施例1。
综上所述，本发明所描述的基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其射流喷射是电应力和由Womersley数决定下的脉动流场两者综合作用的结果。如果仅有电应力，没有界面振荡，那么其喷射过程就是传统的电流体喷射过程，需要很长的时间才能完成将墨水从喷孔拉长形成泰勒锥这一过程，不仅喷射频率低，而且单次射流喷射持续时间长，射流体积大，打印精度低；如果只有界面振荡，没有电应力作用，则弯液面顶部不能形成泰勒锥，所以不会有尖端射流喷出。
一种夹具，用于如上所述的超高频电流体动力喷射系统。由于打印过程中的操作不当会极易导致储墨管孔口的破碎和堵塞，进而产生不可预测的喷射行为并严重影响打印精度，此时需要及时更换喷头。喷头中的储墨管是由毛细玻璃管经拉针仪拉制而成，其制作成本较为低廉，而压电陶瓷的价格则较高，为了实现压电陶瓷的循环利用，需要将压电陶瓷从损坏的储墨管上剥离后与新的储墨管贴合。通常使用有机溶剂浸泡法将压电陶瓷剥离，此后使用树脂材料将压电陶瓷机械耦合在新拉制的储墨管上。在喷头的重新制作过程中，拉制一根储墨管仅需要几分钟，而将压电陶瓷剥离并与储墨管耦合固连的时间通常为一天，这极大的降低了喷头的制作效率，为喷头的实际应用带来了不利影响。因此开发了如图10所示的喷头夹具。该夹具包括两个合板17和一个紧定螺钉，两个合板17一端通过铰链18铰接，另一端通过固定卡扣19连接，固定卡扣19用于将两个合板17固定，两个合板17之间设有竖直通孔20，储墨管1嵌设在竖直通孔20中；其中一个合板17设有与竖直通孔20连通的水平通孔21，水平通孔内开设有矩形槽22，压电陶瓷2设置在矩形槽22内，紧定螺钉23与水平通孔21螺纹连接，通过旋转紧定螺钉22调整压电陶瓷与储墨管壁间的压力。为防止紧定螺钉端处的局部应力过大，压溃压电陶瓷，在紧定螺钉23和压电陶瓷之间设有金属盖板24，用于将压力均匀分布在压电陶瓷顶面上。由于压电陶瓷2在电至伸缩过程中，其中间截面处位移为零，因此优选的紧定螺钉23端处应指向压电陶瓷2的中间部位。储墨管1和竖直通孔20之间设有四个橡胶垫条25，用于将储墨管1和竖直通孔20充分压紧并贴合，防止储墨管在竖直通孔内产生滑移。当储墨管需要更换时，只需要按如下步骤进行操作即可快速完成喷头的换装并调整至工作状态：(1)按下固定卡扣19将合板17打开，(2)将新拉制的储墨管1安装在竖直通孔20内，(3)闭合合板17将固定卡扣19销定，将储墨管1和竖直通孔20充分压紧并贴合，(4)旋扭紧定螺钉23，通过金属盖板24将压电陶瓷2与储墨管1压紧，(5)将金属丝状电极、基板、高压电源单元、信号发生单元、供液系统、气压调节单元按接线要求依次连接。
基于上述喷射方法可以在打印过程中以灵活、经济的方式实现高精度和高效率的连续或按需打印，结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
实施例1：直流电场作用下的超高频连续打印
采用如图11所示的打印系统，高压电源单元采用高压直流电源，高压直流电源一极连接金属丝状电极，另一极连接基板后共同接地，信号发生单元采用信号发生器。储墨管为拉制的毛细玻璃管，内径1.5mm，长度20mm，喷孔直径8μm。喷孔与基板距离157μm，喷孔与基板之间施加的为550V的直流电压。压电陶瓷为条状，尺寸长宽高为5mm\1mm\3mm，压电陶瓷位于储墨管中间位置，两者采用环氧树脂贴合。压电陶瓷激励信号为正负压相等的方波信号，由信号发生器产生，方波峰峰值1.4V，频率681kHz。采用的墨水为体积分数为20％丙三醇的水溶液，粘度为1.76mPas。
开始打印之前，首先调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，以避免在没有弯液面振荡的情况下，墨水被电应力拉出。其次对墨水和基板之间施加550V直流电压，观测弯液面的位置，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出。
之后通过信号发生器产生方波来激励压电陶瓷，在短暂的数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，迅速进入高频喷射模式。喷射频率与压电陶瓷激励频率同频，单次射流喷射时间为0.13μs，单次射流体积为0.31fL。
对比例1：
为了与实施例1形成打印频率上的对比，设置了一组传统电流体喷印的实验，在本实施例中将喷孔与基板之间施加的电压调节为610V，信号发生器关闭，压电陶瓷此时不产生振动，管道内不存在压力波的传播与叠加，弯液面无受迫振荡特征，其余的打印条件与实施例1相同。此时相较于施加压电陶瓷激励时，所施加的电压升高了60V，其所获得的打印频率仅为50Hz，想要进一步获得高的打印频率则需要施加更高的诱导电场电压。
实施例2：直流电场作用下的按需打印
采用如图12所示的打印系统。储墨管为拉制的毛细玻璃管，内径1.5mm，长度50mm，喷孔直径10μm。喷孔与底板距离155μm，墨水与基板之间施加的为600V的直流电压。采用的墨水为体积分数为20％丙三醇的水溶液，粘度为1.76mPas。压电陶瓷为条状，尺寸长宽高为13mm\1mm\6mm，压电陶瓷位于储墨管中间位置，两者采用环氧树脂贴合。压电陶瓷的激励信号为正负压相等的方波信号，由信号发生器产生，频率39.7kHz。根据按需喷射的要求，信号发生器单次产生的为具有特定数量的方波，此处称之为脉冲串。由于在特定的频率下，弯液面振荡幅值必须超过某个特定值时，才能引起射流喷射，所以脉冲串中方波的数量以能产生单次喷射为下限。
开始打印之前，首先调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，以避免在没有弯液面振荡的情况下，墨水被电应力拉出。其次对墨水和基板之间施加600V直流电压，观测弯液面的位置，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出。
之后通过信号发生器产生的脉冲串来激励压电陶瓷。本实施例利用的方波峰峰值分别为5V,5.5V,6V,6.5V,7V,7.5V,8V,8.5V。当方波峰峰值为8.5V时，3个脉冲即可单次喷射，单次喷射体积为295fL；如果再增加脉冲串中方波的个数，就会增加与所增加脉冲个数相同的喷射次数。
当峰值电压为为5V时，240个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为0.16k Hz。
当峰值电压为为5.5V时，31个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为1.28k Hz。
当峰值电压为为6V时，13个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为3k Hz。
当峰值电压为为6.5V时，11个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为3.6Hz。
当峰值电压为为7V时，9个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为4.41Hz。
当峰值电压为为7.5V时，7个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为5.67Hz。
当峰值电压为为8V时，5个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为7.94Hz。
当峰值电压为为8.5V时，3个脉冲即可单次喷射，最高按需打印频率为13.23Hz。
实施例3：交流电场作用下的按需打印和连续打印
本实施例中交流电场作用下的连续打印所使用的打印系统如图13所示，高压电源采用电压放大器，电压放大器一极连接金属丝状电极，另一极连接信号发生单元，信号发生单元采用信号发生器。信号发生器发出的峰峰值为5V的方波脉冲串。信号发生器产生的脉冲串被分为两路，一路作为压电陶瓷的激励信号与压电陶瓷正极相连，另一路则被电压放大器放大与金属丝状电极相连，在弯液面和基板之间，提供脉冲形式的电场。除上述电路连接方式外，本实施例的其他参数与实施例2一致。
本实施例中所描述的交流电场作用下的按需喷射方法也可以实现实施例2所描述的按需喷射，喷射系统如图14所示。储墨管为拉制的毛细玻璃管，内径1.5mm，长度45mm，喷孔直径13μm。喷孔与底板距离157μm。采用的墨水为体积分数为50％丙三醇的水溶液，粘度为6mPas。压电陶瓷为条状，尺寸长宽高为13mm\1mm\6mm，压电陶瓷位于储墨管中间位置，两者采用环氧树脂贴合。信号发生器发出正负压相等的频率为11.7kHz的方波信号，一路连接至压电陶瓷，另一路经电压放大器放大后连接至金属丝状电极。根据按需喷射的要求，信号发生器单次产生的为具有特定数量的方波，此处称之为脉冲串。由于在特定的频率下，弯液面振荡幅值必须超过某个特定值时，才能引起射流喷射，所以脉冲串中方波的数量以能产生单次喷射为下限。
开始打印之前，首先调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，之后通过信号发生器产生的脉冲串来激励压电陶瓷。本实施例利用的方波峰峰值分别为5.2V,5.7V,6.3V,6.9V,7.5V,8.1V，高压放大器的放大倍数设置为300，由于所使用高压放大器的截止频率为12kHz，此时高压放大器的实际放大倍数约为210倍。当方波峰峰值为6.3V时，2个脉冲即可单次喷射，单次喷射体积为43fL；当方波峰峰值为6.9V以及大于6.9V的情况时，1个脉冲即可形成单次喷射，单次喷射体积为96fL；如果再增加脉冲串中方波的个数，就会增加与所增加脉冲个数相同的喷射次数。由于本实施例中所使用电压放大器的截至频率为12kHz，如果使用截止频率更高的电压放大器，相应的则可以取得更高打印频率的实验结果。
另外，本实施例可以保证施加在弯液面和基板之间的高压电场，只在喷射期间存在，在非喷射期间，弯液面和基板之间并没有高压电，在很大程度上提高了安全性。类似于实施例1，如果信号发生器产生的为连续方波，则可以实现与方波频率一致的连续喷射。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，采用一种超高频电流体动力喷射系统，该系统包括喷头结构、供液系统、信号发生单元以及高压电源单元，所述喷头结构包括储墨管、固定在储墨管外壁的压电陶瓷和置于储墨管内部的金属丝状电极，所述压电陶瓷正极与信号发生单元连接，压电陶瓷负极接地，所述金属丝状电极与高压电源单元连接；所述供液系统包括依次连接的供墨软管、储液瓶、通气软管以及气压调节单元；
该方法具体为：所述受约束表面为墨水在喷孔边沿形成的弯液面，首先调节供液系统，使弯液面形状稍微内凹，其次通过高压电源单元对墨水和基板之间施加直流或交流电压，确保在没有弯液面振荡的情况下，墨水不能被电应力拉出；之后通过信号发生单元产生方波信号来激励压电陶瓷，在数个脉冲激励之后，弯液面完成起振过程，进入高频喷射模式，喷射频率与压电陶瓷激励频率同频；
所述压电陶瓷工作在特定的激励频率f会产生压力波叠加效果，从而使喷孔处的弯液面振幅随着振荡次数的增加而逐渐增大，所述激励频率f由储墨管的长度L和压力波在墨水中的传播速度c决定，三者满足如下任意一种关系：
第一种关系：f＝(2n-1)*c/4L，其中n为大于等于1的正整数；
第二种关系：f＝c/(4mL)，其中m为大于等于1的正整数；
所述激励频率的最大值fmax小于1.84c/2πR，其中R为储墨管内径；
所述压电陶瓷激励电压为峰峰值低于10V的方波；
弯液面的振荡受储墨管道内部的脉动流所驱动，脉动流场的分布由喷孔处的Womersley数Wo决定，根据脉动流理论：Wo＝R’*(ωρ/μ)1/2，其中ω＝2πf’，为角频率，f’为脉动频率，即弯液面的振荡频率，ρ为墨水密度，μ为墨水粘度。
2.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，所述储墨管顶部为墨水入口端，底部为逐渐收缩的喷孔，喷孔的直径为几微米至几十微米，所述喷孔正下方设有基板，基板接地，基板与喷孔之间的距离为几十微米至几百微米。
3.根据权利要求2所述的一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，所述墨水入口端与供墨软管一端连接，供墨软管另一端插入到密闭的储液瓶中的墨水中，储液瓶通过通气软管与气压调节单元连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，所述压电陶瓷为贴在储墨管外壁的长条状压电陶瓷或套在储墨管外壁的管状压电陶瓷，压电陶瓷位于储墨管的中部，通过粘接剂与管壁实现机械耦合。
5.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，所述高压电源单元根据实际需要，选择高压直流电源、电压放大器或高压脉冲电源，所述信号发生单元为能够产生低压脉冲的设备，用于产生CMOS或TTL电平信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，基于该喷射方法在打印过程中实现连续或按需打印。
7.一种夹具，用于如权利要求1所述的超高频电流体动力喷射方法，其特征在于，包括两个合板和一个紧定螺钉，两个合板一端通过铰链铰接，另一端通过固定卡扣连接，两个合板之间设有竖直通孔，所述储墨管嵌设在竖直通孔中；其中一个合板设有与竖直通孔连通的水平通孔，压电陶瓷设置在水平通孔内，所述紧定螺钉与水平通孔螺纹连接，通过旋转紧定螺钉调整压电陶瓷与储墨管壁间的压力。
8.根据权利要求7所述的一种夹具，其特征在于，所述紧定螺钉和压电陶瓷之间设有金属盖板，所述储墨管和竖直通孔之间设有四个橡胶垫条。
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