實驗名稱：壓電噴墨打印實驗的系統(tǒng)集成與控制研究

實驗目的：

液滴的穩(wěn)定噴射是決定印制導電線路產(chǎn)品質量的關鍵因素，本文圍繞液滴均勻穩(wěn)定形成的調節(jié)目標對實驗操作參數(shù)進行控制研究。其中，利用工業(yè)相機定時拍攝的功能實時觀測持續(xù)噴射的液滴是否發(fā)生左右擺動以及偏離壓電噴頭的中心軸線，根據(jù)反饋的液滴噴射情況來調節(jié)儲液瓶的液體重心位置和改進脈沖電壓參數(shù)，可以避免衛(wèi)星滴的產(chǎn)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(jié)與控制方法。

測試設備：功率放大器、數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)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(tǒng)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?shù)娜肟趬毫σ岳趪娚涑鲂螒B(tài)穩(wěn)定的液滴，而光學相機模塊可以觀測液滴是否發(fā)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(jù)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(shù)進行調節(jié)，獲得噴射形態(tài)穩(wěn)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(fā)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(jié)壓電噴頭的入口壓力，以實現(xiàn)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(jié)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(yè)相機，液滴觀測需要用到的實驗器材有工業(yè)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(yè)相機拍照的觸發(fā)脈沖時間通常比較短，因此本文將該觸發(fā)脈沖時間設置為30μs。

實驗結果：

圖3：液滴穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定的液滴，對測試溶液以及其它操作參數(shù)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?？梢钥闯?，液滴速度隨著入口壓力的減小而呈現(xiàn)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(xù)減小，則液滴的噴射會出現(xiàn)散霧狀，不利于液滴的穩(wěn)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(tài)穩(wěn)定的液滴，還能有效提高液滴的出口速度。

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圖：ATA-3080C功率放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇