謝亞篤

【摘 要】為滿足現(xiàn)代3D行業(yè)對(duì)打印產(chǎn)品質(zhì)量以及打印效率的各項(xiàng)要求，行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士開始對(duì)打印噴墨系統(tǒng)，尤其是壓電式噴頭展開了深度研究。為明確壓電式噴頭的原理，掌握正確的設(shè)備運(yùn)用方式，本文將以PQ系列壓電式噴頭為例，對(duì)壓電式噴頭工作原理與應(yīng)用展開全面探究，期望能夠?yàn)閴弘娛絿婎^的使用提供一定啟示與幫助。

【關(guān)鍵詞】壓電式噴頭;PQ系列;工作原理;機(jī)械運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)： TS194.373文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0096-002

經(jīng)過長(zhǎng)期使用發(fā)現(xiàn)，壓電式噴頭具有工作壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等方面優(yōu)勢(shì)，在3D打印過程中有著不可忽視的作用與價(jià)值，在圖像輸出設(shè)備中有著極為廣泛的應(yīng)用。為對(duì)壓電式噴頭展開更加全面的探究，掌握噴頭工作原理，研究人員首先應(yīng)對(duì)PQ系列壓電式噴頭進(jìn)行基本了解。

1 PQ系列壓電式噴頭

PQ系列壓電式噴頭，即美國(guó)北極星噴頭。該噴頭是美國(guó)廠家生產(chǎn)的精密儀器設(shè)備，屬于高光譜描繪功用噴墨打印頭，分辨率可以達(dá)到1000dpi，點(diǎn)火頻率可控，最高可以達(dá)到50KHz，在UV寬幅打印機(jī)以及相關(guān)打印機(jī)設(shè)備中應(yīng)用表現(xiàn)極為出色。同時(shí)每組噴頭最多有4條進(jìn)墨通道，保證每個(gè)噴頭墨水供應(yīng)充足、穩(wěn)定。溫度傳感器以及加熱器可實(shí)現(xiàn)對(duì)墨水粘度溫度進(jìn)行有效的控制，能夠保證墨水噴發(fā)溫度在60℃左右。北極星噴頭的電接口包括電連接和插腳引線，以及驅(qū)動(dòng)器芯片模塊（DCM），DCM設(shè)計(jì)用于單片北極星256噴嘴PZT模塊，模塊施加的正激勵(lì)脈沖可達(dá)150V。北極星DCM由一塊多層主印刷電路板部件構(gòu)成，印刷電路板額定厚度1.0mm（0.040英寸），制造材料為UL94V-0等級(jí)玻璃纖維。北極星噴頭在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)斷墨的情況，打印前打印測(cè)試紙正常但是打一會(huì)圖片再打印測(cè)試紙有斷墨的現(xiàn)象，清洗壓墨后又正常噴墨，打一會(huì)還是斷。

2 壓電式噴頭原理

（1）北極星噴頭壓電晶體的主要材質(zhì)為PZT（鋯鈦酸鉛），它是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。PbTiO3和PbZrO3是鐵電體和反鐵電體的典型代表，因?yàn)閆r和Ti屬于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空間點(diǎn)陣形式，但兩者的宏觀特性卻有很大的差異，鈦酸鉛為鐵電體，其居里溫度為492℃，而鋯酸鉛卻是反鐵電體，居里溫度為232℃，如此大的差異引起了人們的廣泛關(guān)注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶體后發(fā)現(xiàn)PZT具有比其它鐵電體更優(yōu)良的壓電和介電性能，PZT以及摻雜的PZT系列 鐵電陶瓷成為近些年研究的焦點(diǎn)。壓電晶體特性主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：（1）晶體在外力作用下發(fā)生變形之后，會(huì)釋放一定量的電荷進(jìn)而產(chǎn)生電壓，打火機(jī)點(diǎn)火就是較為典型的壓電晶體在外力作用下放電的例子;（2）當(dāng)向壓電晶體施加一定量電壓時(shí)，晶體會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，將這一特性應(yīng)用到噴頭中，便會(huì)形成壓電式噴頭[1]。

（2）壓電式噴頭是指在已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，通過外加電壓的方式使壓電晶體變形，使結(jié)構(gòu)內(nèi)液體儲(chǔ)存裝置體積發(fā)生改變，內(nèi)部流體從固定孔中流出，從而完成墨滴噴射任務(wù)。在具體操作過程中，外加電壓大小以及波形的不同，會(huì)對(duì)壓電晶體變形方式產(chǎn)生直接影響，從而影響噴墨速度和墨滴大小。

（3）通常每個(gè)壓電噴頭都是由上百個(gè)噴嘴所組成的，在進(jìn)行噴頭生產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)閴弘娋w自身特性或加工誤差，而造成噴嘴噴出墨點(diǎn)性能存在差異[2]。墨點(diǎn)誤差主要包括墨點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡誤差以及墨滴量誤差等，一但誤差形成，便會(huì)對(duì)打印過程噴墨的效果產(chǎn)生影響，除此之外，噴頭的安裝精度以及打印頭安裝底板的設(shè)計(jì)對(duì)噴墨的質(zhì)量也有很大的影響。因此，在進(jìn)行打印頭設(shè)計(jì)及安裝過程中，需要做好影響因素的控制，以保障最終打印產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 供墨

建立一個(gè)高效和實(shí)用的供墨系統(tǒng)對(duì)于提高打印頭的性能是至關(guān)重要的，與各種噴射液的長(zhǎng)期相容性有助于各種各樣的應(yīng)用都可獲得可靠的打印結(jié)果。打印頭在導(dǎo)入任何噴射液之前，要先沖洗其噴墨系統(tǒng)，如果忽略掉這一步驟，則會(huì)引起不必要的問題。

4 應(yīng)用

4.1 機(jī)械傳動(dòng)誤差分析

機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差主要分為兩種，一種是噴頭在進(jìn)行橫移過程中所產(chǎn)生的周期性傳動(dòng)誤差，另一種是制造公差。在兩種誤差中，傳動(dòng)誤差通常會(huì)和RIP周期性形成重合共振的狀況，會(huì)對(duì)設(shè)備使用形成較大影響，需要進(jìn)行控制。

4.2 打印質(zhì)量提升措施

為保證最終打印產(chǎn)品的質(zhì)量，可通過以下幾種措施，提升打印質(zhì)量：（1）合理選擇頻率，要以噴頭工作頻率為原則，但也要考慮產(chǎn)品的強(qiáng)度，頻率越低，噴墨量越小，強(qiáng)度越低;（2）科學(xué)選擇分辨率，分辨率決定了打印方向相鄰兩個(gè)墨滴的距離，分辨率的選擇會(huì)對(duì)打印用墨量以及打印速度產(chǎn)生直接影響，分辨率的高低程度與打印速度成反關(guān)系，與用墨量成正比關(guān)系，所以操作人員要按照實(shí)際打印需要與成本控制要求，選擇合適的分辨率;（3）控制噴頭與介質(zhì)的距離，確保其能夠盡量靠近打印介質(zhì)表面。打印過程中單個(gè)墨滴離開噴孔后的運(yùn)動(dòng)實(shí)際是拋物線運(yùn)動(dòng)，噴頭與介質(zhì)距離越近，墨滴落到介質(zhì)上的時(shí)間就越短，墨滴在打印方向由于慣性運(yùn)動(dòng)發(fā)生的偏移量就越小，從而相鄰2PASS對(duì)接處的偏差越小。

4.3 噴頭工作電壓與頻率

噴頭無法單獨(dú)作業(yè)，需要在驅(qū)動(dòng)電壓與頻率的作用下實(shí)現(xiàn)噴墨打印。通常噴頭工作頻率與打印速度呈正比關(guān)系，但在噴頭內(nèi)部液體影響下，噴頭打印頻率無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，會(huì)受到一定程度的限制。

噴頭打印電壓幅值會(huì)對(duì)壓電晶體電壓形成直接作用，幅值越大，晶體變形程度也會(huì)越高。一般打印電壓都可以達(dá)到110V左右，在進(jìn)行波形設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意高電壓下降沿、上升沿斜率，應(yīng)利用穩(wěn)定時(shí)間對(duì)電壓振蕩進(jìn)行穩(wěn)定，以保證每個(gè)墨滴的速度、體積符合要求，從而保證打印產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 結(jié)束語

鑒于壓電式噴頭在使用過程中的諸多問題，在以后的工作中還應(yīng)加大對(duì)壓電式噴頭的研究力度。在了解噴頭工作原理與基本情況的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)用展開進(jìn)一步研究與分析，從而解決實(shí)際問題，提高打印產(chǎn)品質(zhì)量。由于時(shí)間限制，本文所介紹壓電式噴頭內(nèi)容并不全面，應(yīng)用部分內(nèi)容也未必適合所有噴頭，只希望可以起到拋磚引玉的作用。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]李勇，孔春偉，何繼愛，等.剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（8）：148-153.

[3]蔡錦達(dá)，李翔，姚尚金.組合式壓電噴頭制備生物芯片的方法研究[J].包裝工程，2016（11）：190-194.