压电式微滴喷射3D打印头喷射性能研究

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近年来,微滴喷射技术向诸多领域快速拓展,其中压电式微喷3D打印技术因极大地满足了现代工业生产微型化和自动化的要求,迅速成为研究热点,但液滴形态预测及精度控制一直是研究难点。本文基于压电式微滴喷射打印技术的原理,建立三种物理模型研究微滴喷射过程中多物理场耦合对微滴成形的影响及作用规律,使用间接耦合方法进行数值模拟仿真,并通过对照实验验证该方法的准确性,为微滴喷射液滴形态预测和打印精度的提高提供参考。首先,展开压电微滴喷射打印头响应研究,建立机-电耦合模型,对压电部分进行有限元仿真及分析,研究驱动电压和压电元件结构对壁面位移、速度的影响规律。研究表明,振动板形变决定液滴体积,变形速度决定流体出口速度,适当增加压电陶瓷厚度及长度对液滴生成最有利。其次,使用压电微喷打印头间接耦合研究方法,分析喷射过程涉及的多物理场耦合特性,将压电-结构-流体耦合模型得到的速度作为气-液两相流耦合模型的初始条件进行计算,并通过对照实验验证模型及间接耦合方法的正确性。分析脉冲信号对微滴成形的影响,研究驱动电压、波形以及梯形波参数(上升、停留、下降时间)对微滴成形的影响规律。在脉冲波形选取时,应选取较小上升时间、较大停留时间和下降时间的脉冲波形,选取合适的梯形波参数对提高打印精度有一定帮助。最后,对微滴成形过程的多物理场耦合特性和影响因素进行分析,基于间接耦合方法,研究采用不同流体物理特性(表面张力、密度、黏度)和喷嘴结构条件下液滴生成情况,得出微滴成形的最佳参数范围和Z值取值范围,以及各参数对微滴成形影响敏感性排序。通过对比各流体物理性能对喷射性能的影响,影响作用表面张力>流体黏度>流体密度。
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