運用微視流技術觀測調變驅動脈衝與不同工作流體下之壓電噴墨液滴演化特性

Observations on the characteristics of piezoelectric inkjet droplets with various working fluids under modulated driving pulses by µ-FV technique

張益彰

指導教授 ： 劉通敏

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2006年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2006.00033

摘要

本文主要以微視流(μ-FV)技術觀測微尺度下壓電式噴墨頭之外流場，從流體物性與驅動電壓波形來觀察相對應之墨滴特徵，並闡述相關之物理機制。檢視之工作流體包含商用墨水、去離子水、生物試劑與多種高分子溶液；噴墨頭之驅動電壓振幅變化範圍為20~29V，頻率為10~20kHz。實驗系統中藉由波形產生器輸入電壓使壓電薄膜形變進而推擠壓力腔噴射出墨滴，再利用光學CCD攝影機擷取墨滴生成及演化過程至個人電腦後進行數位化定量分析，即透過影像處理軟體計算出不同瞬時下之墨滴長度。墨滴之生成與演化主要包含擠出 (Extrusion)、脫離(Lift off)與分離(Break up)等過程。
於研究中發現分別增加電壓振幅與頻率時皆會使衛星液滴(Satellite Droplets)數目增加且墨滴飛行速度也會有加快的趨勢。然而，墨滴於分離過程中所產生的衛星液滴將會影響到列印解析度，使得噴墨品質下降。因此本文採用數值流體力學(CFD)所設計之消除衛星液滴及縮小液滴尺寸之電壓波形(操作電壓振幅/頻率分別為22.5V與10kHz)應用於檢視之工作流體，實驗結果都能達到預期之有效性。液滴直徑縮小後介於20~23μm(體積為4.2~6.4pl)之間，為噴嘴直徑(26μm)的78~88%；而衛星液滴消除後會使得墨滴飛行速度下降至2.1-3.3m/s之間。此外，使用毛細數(Ca)來探討工作流體物性與墨滴之特性。發現液滴脫離噴嘴時之長度和時間與Ca增加時成正比，而墨滴飛行速度卻與Ca增加時成反比。唯其中商用墨水、MEH-PPV與生物試劑為非牛頓與黏彈性流體呈現較不同的趨勢。因此，本研究中對於不同工作流體與驅動電壓之定量與定性之分析結果將可提供壓電噴墨之設計與相關產業之參考應用。

關鍵字

微視流技術 ； 壓電噴墨頭 ； 擠出 ； 脫離 ； 分離 ； 毛細數

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