CN116811430B - 一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置及方法，属于电流体喷印技术领域。该装置包括可抑制相邻喷孔间电场串扰的阵列化喷头结构、可寻址压电激励系统、供墨系统、高压电源单元；每个喷头结构包括喷孔板和设置在喷孔板上的储墨腔，储墨腔顶部开设有供墨入口，底部开设有喷孔，储墨腔顶部由上盖板、微压电陶瓷片和谐振板构成，微压电陶瓷片与可寻址压电激励系统连接；所述喷孔板下表面涂敷有金属膜状电极，喷孔板下方设有导电基板。本发明有效消除了高集成度阵列化喷头之间的电场串扰，打印频率较传统的单喷头电流体动力喷印提升了4～5个数量级。

Description

一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打 印装置及方法

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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置及方法。

背景技术

电流体动力喷印技术是通过在喷头和与之相对的基板之间施加高强电场，使喷孔处的弯液面在电场“尖端效应”的作用下逐渐充液变为轴对称的圆锥状液面，当圆锥状液面尖端所受到的电应力足以克服液面本身的表面张力时，墨水以锥顶射流的形式实现超高分辨率的喷射打印。传统的基于压电式以及热泡式的喷墨打印技术，其墨滴直径通常与喷孔直径相当，其允许使用的墨水粘度也一般小于20cp；而电流体动力喷射技术利用锥顶射流，使墨滴大小摆脱了对喷孔大小的依赖，很容易实现微米、甚至亚微米的打印线宽；另外其允许的墨水粘度范围宽至1-10000cp，在打印高粘度墨水方面具有其独特的优势。目前，电流体动力喷印技术已经在微纳器件封装、柔性电路以及柔性显示等领域获得了比较广泛的应用。

尽管电流体动力喷射技术具有打印精度高，允许的墨水粘度范围大的优势，但由于其单喷孔的喷射频率较低(通常不超过2kHz)，以及由于难以克服相邻喷孔间的电场串扰而无法实现阵列化喷射打印等问题，使得目前的电流体动力喷印技术打印效率低，严重阻碍了电流体打印技术工业化应用的进一步发展。

对于单喷孔电流体动力打印来说，其一个完整的喷射周期包括泰勒锥体积恢复时间、喷射时间、喷射之后液面振荡时间，对于高粘度墨水，由于其在毛细流道中的流速很慢，所以导致泰勒锥需要很长时间才能恢复喷射形状，另外高粘度的墨水的射流的断裂时间也比较长，所以，对于高粘度的墨水，其最大喷射频率通常只有几十赫兹。对于低粘度墨水，由于上述时间的存在，其最大打印频率通常也不超过2kHz。

通常对喷头结构、诱导电场类型、墨水特性以及背压大小等参数进行优化，可在一定范围内提升打印频率，但受制于其喷射机理，打印频率的提升空间非常有限。目前，开发多喷孔的阵列化电流体动力打印技术成为了提升其打印频率较为有效的方法。

目前针对阵列化电流体打印中的电场串扰问题存在多种解决方法，CN122644178B公开了在直线阵列式电流体打印喷头的两侧分别布置有不导通墨水的金属辅助电极，在射流时需要对全部的喷嘴喷针以及辅助电极一同施加交流脉冲电压，尽管这样的方法保证了阵列化打印精度但也存在两个不足之处：1.受制于长细喷针的微机械制造工艺，喷嘴喷针的尺寸难以做到压毫米级别，无法实现传统喷墨打印的射流精细度，由于喷针之间的距离为几个毫米，其阵列化后的整体尺寸较大且喷头密集度低2.该技术必须将全部喷针一同施加相同的脉冲电场，在共同射流时才能抑制串扰，无法控制单个喷头的按需射流。为了实现阵列化电流体打印喷孔的精密制造，Yanqiao Pan和Xinyuan Chen等人使用光刻、湿法蚀刻、磁控溅射等工艺制作出了喷孔内径为40um的硅基阵列化喷孔板，并与PMMA储液层精密封装后组成阵列化喷头，尽管为了克服平面喷孔板上弯液面感应电场弱的缺点制作了边沿外凸式喷孔，其射流依旧需要带有数千伏偏置的脉冲电压。在其多喷孔阵列化电流体动力打印过程中，喷孔之间彼此绝缘；对指定的喷孔施加高压电，使其与承印面基底之间形成高强电场，便可实现阵列化喷孔的可寻址喷射，也就是指定的喷孔喷射；不需要喷射的喷孔通常与基底之间没有电势差，或者有很小的电势差；此方法虽然可以实现指定喷孔的喷射，但是喷射喷孔与相邻的非喷射喷孔之间存在较大的电势差，该电势差的存在会使喷孔之间产生电场的串扰并引发弯液面的畸变，使得射流的轨迹难以精确控制，这严重影响了阵列化喷孔电流体动力打印技术的喷射精度。为了抑制串扰需要将喷孔之间的距离设置为喷孔直径的数十倍以上，无法实现高集成度的阵列化电流体打印。

此外学者们还提出了例如场间电磁屏蔽以及串电阻开关电源等方法来抑制喷孔之间的电场串扰，并各自在特定打印条件下可以实现较好的串扰抑制效果，但考虑到阵列化喷孔间串扰抑制的普适性和稳定性，目前最有效的串扰抑制方法还是通过增大喷孔之间的距离来实现的，其相邻喷孔的间距通常需设置为喷孔内径的数十倍以上，这样的的喷孔集成度远低于基于压电和热泡式的喷墨打印技术，使得已有的阵列化喷孔打印效率提升始终难以突破1～2个数量级。

本发明提出一种基于液面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置及方法，实现了与传统的微压电和热发泡喷墨打印相当的喷孔集成度，阵列化设计，则相较于传统的单喷孔电流体喷射技术，本发明可以将电流体打印频率提升4-5个数量级。

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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置及方法，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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置，包括可抑制相邻喷孔间电场串扰的阵列化喷头结构、可寻址压电激励系统、供墨系统、高压电源单元；所述可寻址压电激励系统包括相互连接的可寻址信号发生单元和上位机；每个喷头结构包括喷孔板和设置在喷孔板上的储墨腔，储墨腔顶部开设有供墨入口，底部开设有喷孔，储墨腔顶部由上盖板、微压电陶瓷片和谐振板构成，微压电陶瓷片与可寻址信号发生单元连接，用于驱动谐振板振动，谐振板与储墨腔中的墨水相接触；所述喷孔板下表面涂敷有金属膜状电极，喷孔板下方设有导电基板；所述高压电源单元正极与金属膜状电极连接，其负极与导电基板连接。

进一步地，其特征在于，所述喷孔板上开设有阵列化排布的凹槽，所述上盖板、微压电陶瓷片和谐振板从上到下依次设置在凹槽顶部，谐振板和凹槽围成储墨腔，所述储墨腔长度为几百微米，宽度和高度小于100微米。

进一步地，所述储墨腔底部开设有竖直的圆柱状喷墨流道，喷墨流道的出口端为喷孔，喷孔的直径为几微米至几十微米，导电基板设置在喷孔正下方，导电基板与喷孔之间的距离为几十微米至几百微米，导电基板接地，且导电基板上放置导电或者绝缘的承印材料。

进一步地，所述微压电陶瓷片的上下两端分别与上盖板和谐振板固定耦合，微压电陶瓷片包括微压电陶瓷片本体和两个金属电极，其中一个金属电极作为供电电极，与可寻址信号发生单元连接，另一个金属电极作为接地电极，与其他微压电陶瓷片的负极导通并接地。

进一步地，所述供墨系统包括背压可调的供墨单元和供墨软管，供墨软管一端连接供墨单元，另一端从供墨入口插入到储墨腔中；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，所述上位机能实时监测可移动导电基板的位置，控制可寻址信号发生单元向需要射流的喷孔所对应的微压电陶瓷片输入激励信号，激励信号控制压电陶瓷动作在喷孔处引发液面振荡。

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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，采用如上所述的一种基于液面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置，其特征在于，所述受约束表面为墨水在喷孔边沿形成的弯液面，在打印之前首先调节供液单元背压，使弯液面形状稍微内凹，其次开启高压电源单元使喷孔板上的金属膜状电极带电，由于金属膜状电极与弯液面内的墨水相接触，弯液面会轻微外凸但无射流产生，此时喷孔板表面的金属膜状电极与弯液面构成等势体，与导电基板之间形成匀强电场，其电场线平行于喷孔轴线竖直向下垂直于导电基板，由于各喷孔处电势相等因此不存相互在串扰，当需要部分喷孔产生射流时，上位机控制可寻址信号发生单元向目标微压电陶瓷片输入激励信号，微压电陶瓷片的弯振带动谐振板产生高频振动，储墨腔内往复的脉动压力将使喷孔处的弯液面产生同频振荡，在脉动流场速度分布以及感应电场力的作用下，弯液面在回吸过程的末段将产生精细射流，此时各弯液面电势仍然保持相等，所以彼此之间并无电场串扰，弯液面的形状不会发生畸变。

进一步地，微压电陶瓷片所使用的激励电压峰峰值在10V以内。

进一步地，所述可寻址压电激励单元能够向目标压电陶瓷发射激励信号，激励信号为包括脉冲正弦波、梯形波、方波在内的低电平信号，脉冲频率和脉冲串的长度根据打印要求由上位机控制。

进一步的，所述喷射模式可以是储墨腔内墨水的共振喷射，也可以在非共振条件下由单个或数个激励所引起的射流。

进一步地，所述微压电陶瓷片工作在特定的激励频率f会在储墨腔内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，所述的微压电陶瓷片特定的激励频率f由储墨腔的体积V、喷墨流道的长度L、喷墨流道的截面积S和压力波在墨水中的传播速度c决定，当四者之间满足如下关系时，引发储墨腔内的墨水共振：

本发明带来的有益技术效果：

1、有效消除了高集成度阵列化喷头之间的电场串扰，打印频率高达数百兆赫兹量级。通过涂敷有金属膜状电极的喷孔板保证各弯液面之间电势相等，并与导电基板之间形成匀强电场，有效抑制了阵列化喷孔之间电场串扰的问题，使得喷孔间的距离可缩减至喷孔内径的1～3倍，将现有的阵列化电流体打印喷头集成度提升了2个数量级，结合受约束表面振荡的超高频电流体动力喷射方法，利用微压电陶瓷片的超高频弯振以及回吸射流的特性，大大加快了其在电应力作用下泰勒锥的形成时间，与高集成度阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法相结合可将打印频率提升至数百兆赫兹，打印频率较传统的单喷头电流体动力喷印提升了4～5个数量级。

2、单次射流体积小，打印精度高。由于本发明阵列化喷头中单个喷头的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、结构可靠，使用成本低，可以实时、精确的控制指定喷孔的精细射流。通过上位机控制可寻址信号发生单元的触发，使目标微压电陶瓷片根据激励信号的类型和大小产生作动，进而诱发喷孔处产生飞升级的精细射流，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，无需在阵列化喷孔板与导电基板之间使用高性能的高压脉冲电源，只需利用最普通的高压直流电源在阵列化喷孔板和导电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片上幅值不超过10V的脉冲激励控制，因此可以方便的利用信号发生器来激励压电陶瓷片实现，起到了弱电控制强电的按需喷射效果。

附图说明

图1为本发明中超高频阵列化无串扰电流体动力喷射系统结构示意图；

图2为阵列化喷头结构示意图；

其中，(a)为阵列化喷头结构的俯视图；(b)为阵列化喷头结构的仰视图；

图3为本发明中单个喷头结构示意图；

图4为无射流时阵列化电流体打印喷头横截面电场分布示意图；

图5为存在单个射流时阵列化电流体打印喷头横截面电场分布示意图；

图6为存在多个射流时阵列化电流体打印喷头横截面电场分布示意图；

图7为无诱导电场作用下的单周期弯液面振荡示意图；

图8为不施加电场时弯液面起振过程示意图；

图9为高压直流诱导电场作用下的单周期弯液面振荡射流示意图；

图10为不施加电场时单周期内喷孔处流场速度轮廓线；

图11为施加电场后回吸不同时刻喷孔处流场的速度分布示意图；

图12为直流电场脉冲串按需打印系统结构示意图；

图13为直流电场持续脉冲连续打印系统结构示意图；

其中，1-上盖板；2-微压电陶瓷片本体；3-供电电极；4-接地电极；5-供墨入口；6-谐振板；7-储墨腔；8-喷孔板；9-导电基板；10-承印面；11-供墨单元；12-供墨软管；13-喷墨流道；14-喷孔；15-金属膜状电极；16-弯液面；17-墨水；18-上位机；19-可寻址信号发生单元；20-高压电源单元；

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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置，如图1所示，包括可抑制相邻喷孔间电场串扰的阵列化喷头结构、可寻址压电激励系统、供墨系统、高压电源单元，可寻址压电激励系统包括相互连接的可寻址信号发生单元和上位机；

阵列化喷头结构的俯视图和仰视图分别如图2(a)和2(b)所示，单个喷头结构的剖视图如图3所示，每个喷头结构包括喷孔板8，喷孔板8上开设有阵列化排布的凹槽，每个凹槽顶部从上到下依次设有上盖板1、微压电陶瓷片和谐振板6，谐振板6和凹槽围成储墨腔7，储墨腔7长度为几百微米，宽度和高度小于100微米。

微压电陶瓷片的上下两端分别与上盖板1和谐振板6通过树脂粘结等方式实现牢固的机械耦合，使谐振板6的振动频率与微压电陶瓷片的频率同频。上盖板1和谐振板6沿同一轴线开设有供墨入口5，储墨腔底部开设有竖直的圆柱状喷墨流道13，连通储墨腔和外部空间，喷墨流道13的出口端为喷孔14，储墨腔7内的墨水经喷墨流道13流至喷孔14，喷孔14的直径为几微米至几十微米，墨水17在拉普拉斯压力的作用下于喷孔14处形成凹形弯液面。

微压电陶瓷片包括微压电陶瓷片本体2和两个金属电极，其中一个金属电极作为供电电极3，与可寻址信号发生单元连接，用于驱动谐振板6振动，另一个金属电极作为接地电极4，与其他微压电陶瓷片的负极彼此导通且接地；谐振板6与储墨腔7中的墨水相接触；喷孔板8下表面涂敷有金属膜状电极15，金属膜状电极15与高压电源单元连接；

供墨系统包括背压可调的供墨单元11和供墨软管12，供墨软管12一端连接供墨单元11，另一端从供墨入口5插入到储墨腔中；供墨系统内的墨水经供墨软管12插入供墨入口5后流入储墨腔7内，供墨单元11通过并联布置的供墨软管12对阵列化储墨腔7供墨，以保证喷射过程中的背压稳定和持续供液，通过调节供墨单元11内的背压大小可以调整弯液面16振荡幅值，从而调节射流的体积。

高压电源单元20的正极与涂敷在喷孔板8下表面的金属膜状电极15连接，金属膜状电极15正下方设有可移动的导电基板9，其负极与导电基板9共同接地，导电基板9与喷孔14之间的距离为几十微米至几百微米，且上表面设有承印面10，承印面10由导电或绝缘材料制备。当高压电源接通时喷孔板8与弯液面16为等势体，可在喷孔板8与导电基板9之间形成匀强电场，能够有效抑制喷孔14内弯液面16之间的电场串扰。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等高压发生设备，在本实施例中选用高压直流电源。

可寻址压电激励系统包括相互连接的可寻址信号发生单元和上位机，可寻址信号发生单元19所输出的激励信号由上位机18发出，上位机18根据所需要打印的功能化图案控制导电基板9的位移以及激励信号的波形和触发，根据打印需求可寻址信号发生单元19可以输出包括正弦波、梯形波、方波等低电平波形，对阵列化微压电陶瓷片的振动模式进行精准调控。

一种打印方法，采用上述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置，受约束表面为墨水在喷孔14边沿形成的弯液面16，在打印之前首先调节供液单元背压，使弯液面16形状稍微内凹，其次开启高压电源单元使喷孔板8上的金属膜状电极15带电，由于金属膜状电极15与弯液面16内的墨水相接触，弯液面16会轻微外凸但无射流产生，此时喷孔板8表面的金属膜状电极15与弯液面16构成等势体，与导电基板9之间形成匀强电场，其电场线平行于喷孔轴线竖直向下垂直于导电基板9，由于各喷孔14处电势相等因此不存相互在串扰，当需要部分喷孔14产生射流时，上位机控制可寻址信号发生单元向目标微压电陶瓷片输入激励信号，微压电陶瓷片的弯振带动谐振板6产生高频振动，储墨腔7内往复的脉动压力将使喷孔处的弯液面16产生同频振荡，在脉动流场速度分布以及感应电场力的作用下，弯液面16在回吸过程的末段将产生精细射流，此时各弯液面16电势仍然保持相等，所以彼此之间并无电场串扰，弯液面16的形状不会发生畸变。

为验证上述阵列化无串扰电流体动力喷射系统具备良好的电场串扰抑制结果，使用COMSOL多物理场仿真软件对由10个喷孔14所组成的阵列化喷头进行了静电场仿真，其中喷孔14直径为40um，喷孔之间的间距为120um，计算得出的电场线分布如图4所示，喷孔板8以及墨水中的絮状曲线代表其内部为等势体且没有电场线存在，处于各个喷孔与导电基板9之间的电场线则竖直向下垂直于基板表面，这表明在无喷射的情况下各个喷孔之间的电场串扰被充分抑制，没有引起弯液面的畸变。

当单个微压电陶瓷片作动在5号喷孔处形成射流时，其电场分布如图5所示，此时由于仅存在单个喷孔形成的射流且该喷孔左右两侧的电势以及场强分布大小一致，可以看到5号喷孔以及其余各喷孔处的电场线依旧保持相互平行，各喷孔处的弯液面之间无相互串扰；当有两个相邻喷孔同时射流时，由于弯液面上带有大量的同种感应电荷，相邻射流弯液面之间会在电场力的作用下相互排斥，且不射流弯液面此时电势较低，会与射流喷孔之间产生电场串扰，因此两个相邻射流弯液面之间的畸变现象最为明显，采用上述阵列化无串扰电流体打印喷头产生两个相邻射流时，其数值仿真得到的电场分布如图6所示，在5号和6号喷孔以及其它未射流喷孔处的电场线依旧竖直向下且平行分布，以此可以表明两个相邻射流弯液面之间不存在电场串扰，射流轨迹亦不会被干扰，以上的仿真计算可以充分证明所提出阵列化无串扰电流体打印方法对电场串扰抑制的优异效果，能够保证阵列化电流体喷射的打印精度。

为阐明基于受约束表面超高频振荡的电流体打印机理，现对一个喷孔处的流场分布进行分析，当压电陶瓷受到周期性激励信号时，储墨腔7内周期性变化的脉动压力进入的喷墨流道13后，在压力波的作用下喷孔处的弯液面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在储墨腔7内传播的压力波驱动，弯液面的振荡频率与储墨腔7内的压力波同频，储墨腔7内压力波的周期性变化由耦合在谐振板6上表面的微压电陶瓷片沿纵向的周期性弯振所引起，谐振板6的振动也可以通过电磁振动器以及其它可使换能片沿其纵向产生周期性振动的激励器件所控制。

当压电陶瓷激励频率等于储墨腔7与喷墨流道13所组成几何空腔的一阶谐振频率时，其内部压力波所驱动的液面振荡的具体过程为：激励信号的下降沿使微压电陶瓷片向储墨腔7外侧弯曲，微压电陶瓷片在的弯曲会拉伸与之耦合的谐振板6，从而在储墨腔7内部产生负压，由于压力波在墨水中的传播会在喷孔处产生一个负压力波，并引起弯液面的回吸形成内凹；激励信号的上升沿使微压电陶瓷片向储墨腔7内侧弯曲，使谐振板6对储墨腔7内墨水施加一个正压力，当该压力波传递到喷孔时会向外推动弯液面形成外凸轮廓，微压电陶瓷片弯曲变形所产生的压力波在储墨腔7和喷墨流道13内的反复叠加，将使喷孔处的弯液面振幅持续存在，其单周期的弯液面振荡如图7所示。

由于储墨腔7与喷墨流道13所组成的共振模型符合赫姆霍兹共振器结构的声学理论，微压电陶瓷片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，使喷孔处的弯液面产生共振。微压电陶瓷片特定的激励频率f由储墨腔7的体积V、喷墨流道13的长度L、喷墨流道13的截面积S和压力波在墨水中的传播速度c决定，当四者之间满足如下关系时，可引发储墨腔7内的墨水共振：

根据声波的线性叠加理论可知，微压电陶瓷片弯振所产生的压力波在喷墨流道13内数次叠加后，喷孔处的弯液面振幅取得最大值，如图8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。微压电陶瓷片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，所采用的微压电陶瓷片激励电压通常为峰峰值低于10V的方波。

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9所示的射流喷射。当有电应力作用于弯液面时，在同样的微压电陶瓷片激励信号作用下，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9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喷墨流道13内部的脉动流所驱动，而脉动流场的分布由喷孔处的Womersley数决定。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，其不同时刻速度轮廓的形状和大小可由如下公式计算：

式中u为速度大小、r为径向坐标、R为管道半径、t为时间、n为阶次、P_n′为各阶次压力梯度大小、w为压力脉动角频率、ρ为密度、R为喷孔半径、J₀为零阶贝塞尔函数、i为虚数单位、Re{}为取实部函数。Womersley数的大小决定了喷孔处脉动流场的速度轮廓，当不施加高压电场时，以激励频率100kHz，Womersley数等于3.35为例，正负压力波的周期性扰动在喷孔截面处所产生的速度轮廓曲线如图10所示，由于喷墨流道13内墨水的流动在管壁处满足速度连续条件，靠近管壁处的速度轮廓始终为零，1um时刻在正压力波的作用，管壁两侧向外流动的速度明显大于管轴线附近的速度，2um时刻靠近中心截面处速度轮廓快速发展至持平状态，3um时刻速度轮廓线充分发展为抛物线形状，此时负压力波抵达管口并对弯液面做负功，由于此时弯液面储备有较大的动能，因此在4us时的弯液面幅值略微减小但形状基本保持不变，在负压力波的持续作用下，在5us时刻靠近管壁位置处的速度轮廓线方向发生翻转，而中心截面内的大部分位置速度依旧为正，两者的流量差值会在回吸过程中导致靠近弯液面根部的体积减小，而靠近中心处的弯液面体积继续增大，此时弯液面的顶部曲率增大，在6us时刻靠近管壁处的速度幅值依旧大于中心截面处的速度幅值，这将继续保持弯液面根部的体积减小速度大于中心截面处的速度，几何形貌存在由球切状过渡发展至圆锥状的趋势，在7us时刻中心截面处的速度轮廓持平并大于靠近管壁位置的速度幅值，这会抑制圆锥状弯液面的持续发展，8us时刻截面各位至处的速度轮幅值到达峰值，使弯液面充分发展至一个内凹的球切形状，由于此时正压力波再次抵达管口处将消耗弯液面的动能，9us时刻截面各位至处的速度轮幅值减小，并在10us时发生速度轮廓形貌的新一轮的翻转，其11us和12us时刻的速度轮廓分别与此前1us和2us时刻的速度轮廓相同，直至13us新一轮的负压力波抵达喷孔处，当压电陶瓷周期性作动，则喷孔处的脉动压力持续存在时，弯液面的形状也将产生与上述变化相同的周期性振荡。

在传统基于泰勒锥的电流体打印技术中，其射流发生在泰勒锥体积最大且锥顶半径最小的时刻，而在基于受表面约束超高频振荡的电流体打印技术中，射流则是发生在弯液面回吸过程的末段，当弯液面以超高频率持续振荡时施加高压电场，喷孔处将会呈现出如图11所示的脉动流场分布，相比于上述不施加高压电场时的速度轮廓分布，其特征表现为在回吸过程中喷孔中心区域的流场速度显著小于靠近管壁区域的流场速度，且整体流场为轴对称分布，该速度场的分布，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流量大于其顶部区域液体的回吸流量；另一方面，根据尖端放电理论，弯液面顶部区域曲率半径最小感应场强最大，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，此时绝大部分弯液面内的墨水被回吸至喷孔内还可以显著降低相邻射流弯液面之间的电场串扰，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，从而可以减小射流体积提升打印精度，还可以起到抑制电场串扰的效果。

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。将此方法与阵列化无串扰电流体动力喷射方法相结合，可以在抑制电场串扰保证打印精度的同时，将阵列化喷头的打印效率提升至数百兆赫兹，极大的提升了打印频率，为电流体打印技术的大规模工业化应用提供了一种高效可靠的方法。

基于上述打印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：直流电场作用下压电式阵列化喷墨打印喷头超高频按需打印

采用如图12所示的打印系统，采用MEMS工艺制作压电式阵列化喷墨打印喷头，在喷孔板8表面涂敷金属膜状电极15，阵列化喷孔是由256个喷孔所组成的线性阵列，喷孔内径40um，喷孔之间的间隔为120um，喷孔与承印面10距离240um，该喷头内所封装的微压电陶瓷片阵列具备可寻址功能，可以由上位机根据所需打印的功能化图案自主控制目标微压电陶瓷片的作动，首先调节供墨系统的背压，使弯液面轻微内凹，其次通过上位机调控激励电压的幅值，使微压电陶瓷片接受到激励信号后，只在喷孔处产生弯液面的振荡而不产生喷射。

本实施例中采用高压直流电源作为高压电源单元，高压直流电源一极连接导金属膜状电极，另一极与导电基板9共同接地，在喷孔与导电基板9之间施加700V的直流电压，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。微压电陶瓷片的激励信号为正负压相等的方波信号，由可寻址的信号发生单元产生，方波峰峰值4.2V，频率120kHz，采用的墨水为体积分数为20％丙三醇的水溶液，粘度为1.76mPas，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2.8μs，单次射流体积为268fL。

实施例2：直流电场作用下压电式阵列化喷墨打印喷头连续打印

本实施例中直流电场作用下的连续打印所使用的打印系统如图13所示，其储墨腔7尺寸的长宽高为570um\100um\70mm，喷孔内径40um，喷墨流道13的长度为47um，共振频率为470kHz。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。其次对墨水和导电基板9之间施加680V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。

采用共振喷射模式时，可寻址信号发生单元向压电陶瓷阵列并行输出正负压相等的频率为470kHz的连续方波信号，其单次射流喷射时间为0.42μs，单次射流体积为48fL，可同时打印256条线宽为6um的直线阵列。

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阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，采用一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印装置，包括可抑制相邻喷孔间电场串扰的阵列化喷头结构、可寻址压电激励系统、供墨系统、高压电源单元；所述可寻址压电激励系统包括相互连接的可寻址信号发生单元和上位机；每个喷头结构包括喷孔板和设置在喷孔板上的储墨腔，储墨腔顶部开设有供墨入口，底部开设有喷孔，储墨腔顶部由上盖板、微压电陶瓷片和谐振板构成，微压电陶瓷片与可寻址信号发生单元连接，用于驱动谐振板振动，谐振板与储墨腔中的墨水相接触；所述喷孔板下表面涂敷有金属膜状电极，喷孔板下方设有导电基板；所述高压电源单元正极与金属膜状电极连接，其负极与导电基板连接；

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，在打印之前首先调节供液单元背压，使弯液面形状稍微内凹，其次开启高压电源单元使喷孔板上的金属膜状电极带电，由于金属膜状电极与弯液面内的墨水相接触，弯液面会轻微外凸但无射流产生，此时喷孔板表面的金属膜状电极与弯液面构成等势体，与导电基板之间形成匀强电场，其电场线平行于喷孔轴线竖直向下垂直于导电基板，由于各喷孔处电势相等因此不存在相互串扰，当需要部分喷孔产生射流时，上位机控制可寻址信号发生单元向目标微压电陶瓷片输入激励信号，微压电陶瓷片的弯振带动谐振板产生高频振动，储墨腔内往复的脉动压力将使喷孔处的弯液面产生同频振荡，在脉动流场速度分布以及感应电场力的作用下，弯液面在回吸过程的末段将产生精细射流，此时各弯液面电势仍然保持相等，所以彼此之间并无电场串扰，弯液面的形状不会发生畸变；

所述微压电陶瓷片工作在储墨腔的共振频率f时会在储墨腔内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，以较小的激励电压完成喷射，微压电陶瓷片也可在非共振模式下在喷孔处产生同频的按需喷射，所述的储墨腔共振频率f由储墨腔的体积V、喷墨流道的长度L、喷墨流道的截面积S和压力波在墨水中的传播速度c决定，当四者之间满足如下关系时，引发储墨腔内的墨水共振：

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2.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述喷孔板上开设有阵列化排布的凹槽，所述上盖板、微压电陶瓷片和谐振板从上到下依次设置在凹槽顶部，谐振板和凹槽围成储墨腔，所述储墨腔长度为几百微米，宽度和高度小于100微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述储墨腔底部开设有竖直的圆柱状喷墨流道，喷墨流道的出口端为喷孔，喷孔的直径为几微米至几十微米，导电基板设置在喷孔正下方，导电基板与喷孔之间的距离为几十微米至几百微米，导电基板接地，且导电基板上放置导电或者绝缘的承印材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述微压电陶瓷片的上下两端分别与上盖板和谐振板固定耦合，微压电陶瓷片包括微压电陶瓷片本体和两个金属电极，其中一个金属电极作为供电电极，与可寻址信号发生单元连接，另一个金属电极作为接地电极，与其他微压电陶瓷片的负极导通并接地。

5.根据权利要求3所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述供墨系统包括背压可调的供墨单元和供墨软管，供墨软管一端连接供墨单元，另一端从供墨入口插入到储墨腔中；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。

6.根据权利要求1所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述上位机能实时监测可移动导电基板的位置，控制可寻址信号发生单元向需要射流的喷孔所对应的微压电陶瓷片输入激励信号，激励信号控制微压电陶瓷片动作在喷孔处引发液面振荡。

7.根据权利要求6所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，微压电陶瓷片所使用的激励电压峰峰值在10V以内。

8.根据权利要求6所述的一种基于受约束表面振荡的阵列化无串扰电流体动力喷墨打印方法，其特征在于，所述可寻址信号发生单元能够向目标微压电陶瓷片发射激励信号，激励信号为包括脉冲正弦波、梯形波、方波在内的低电平信号，脉冲频率和脉冲串的长度根据打印要求由上位机控制。