1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究现状

虽然我国对于喷墨打印机的需求量巨大，但是我国在喷墨打印机研究方面起步晚，研究水平有限，现今还处于研究技术的追赶阶段。由于国外喷墨打印技术垄断及专利保护，加上国内研究起步晚，国内打印业还主要依赖于进口，尤其是喷墨打印机的核心部件，如喷墨头、喷墨驱动控制技术、高速图像传输和处理技 术、高精度伺服控制技术等。

国内从事喷墨打印机生产的企业，主要集中在喷墨打印机外围部件生产和组装加工等低技术、非核心以及低附加值环节，其中喷墨打印机高技术含量的、核心的、高附加值部分还主要由发达国家掌握。但是，随着国内市场对于打印机的需求以及国外的价格垄断，国内的一些厂家在国外成熟技术的基础上，开发研究 自主品牌的喷墨打印机，终于生产了国内第一款喷墨打印机，宣布了国内喷墨打印机时代的到来，随后，越来越多的企业加入到喷墨市场的竞争中。

2. 研究的基本内容与方案

2.1大致研究内容

（1） 学习喷墨打印技术原理并分析墨滴成形过程，明确墨滴成形过程影响因素，确定模拟目标参数。

（2） 分析压电式喷墨打印头的物理模型，将其简化为二维模型。

（3） 使用 GamBit 软件完成对模型的建立和网格划分，根据实际的物理模型，设定墨滴喷射过程数值模拟模型边界条件。对于流体分析软件 Fluent，它提供了 UDF 功能，使用编程语言自定义喷墨头入口输入条件。

（4） 将几何模型进行网格划分后，将网格模型导入 Fluent 流体仿真软件，然后将（3）步骤编译的程序导入 Fluent 并编译。根据流体物理参数范围，设定流体物理参数；选择数值计算模型并进行参数设置；对网格化模型进行数值计算和后处理。

（5） 改变控制参数及墨水本身的性能参数来比较仿真结果。

2.2墨滴成形过程分析

在喷墨打印的过程中，墨水储存在墨盒内，墨盒内的墨水受正压力的作用会填充喷头的墨腔。当给喷头施加脉冲电压时，压电晶体会因逆压电效应而发生形变，墨腔内墨水所受到的压力发生改变，当墨水所受到的压力达到一定值时会喷 出喷口形成束流，再经过束流断裂后，主墨滴携带一定长度的束流离开。

在墨滴飞行过程中，受长束流和墨腔产生的负压力影响，墨滴的飞行速度逐渐降低，而束流尾部速度在断裂前与喷嘴处墨水的速度相同，在断裂时受到表面 张力所产生的毛细管压力作用，会产生一个向下的加速度。因此形成的液滴尾部 的速度要高于头部的速度，在墨滴飞行过程中，墨滴尾部会逐渐追上墨滴的头部，墨滴携带的束流长度减小，最终形成一个主墨滴。当所携带的束流长度较大时，在表面张力的作用下，尾墨滴会与主墨滴分离，形成卫星墨滴，由于卫星墨滴的速度仍大于主墨滴速度，飞行一段时间后，卫星墨滴会追上主墨滴合并为一个墨滴。

其中墨水在空中的飞行状态受两个方面因素的影响。一方面，受墨水本身的流变性能，如粘度、表面张力及密度的影响；另一方面，受喷头结构和施加在压 电晶体上的脉冲驱动电压参数，如驱动电压的大小、脉冲持续时间、频率的影响。 墨滴飞行过程如图 2.1 所示。

图2.1 液滴飞行过程

2.2 数值模拟方法

在喷头喷墨的过程中液滴的主要行为有束流的形成与断裂、卫星墨滴的形成 及主墨滴与卫星墨滴在气相区域内的飞行过程，因此建立的几何模型除了包括喷 嘴外，还应当包括液滴飞行的气相区域。为了减少模拟计算时间，只需建立包括 喷嘴横截面及气相区域的模型。参考喷头相关资料，建立喷头横截面的几何示意 图。在墨滴喷射过程中，墨滴在连续的空气区域内运动，涉及多相流问题，目前对于多相流问题有两种数值处理方法：欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法，本课题拟采用欧拉-欧拉方法中的 VOF（流体体积法）模型进行数值计算。在欧拉欧拉方法中，不同的相被处理为相互贯穿的连续介质，过程中假设两种流体不能相互渗透，因此一种相所占的体积分数不能被其余相占有，用体积分数来表征各相的流动状态。

在 VOF 模型中，在流场中定义函数 C，C 为在每个网各种目标流体所占网格体积的百分比。根据函数 C 的数值，目标流体在单个网格内共有以下三种状态： 网格内充满目标流体、网格内有部分目标流体、网格内不含目标流体。在喷墨过程所涉及的两相流模拟过程中，假设单个网格区域为 Z，流体 A 所占的区域为 A， 流体 B 所占的区域为 B。

2.3研究设计思路

图 2.2 流程图

2.4建立几何模型

在打印喷头模型建立的问题上需要考虑两方面的问题，一方面为能良好还原在实际工作环境中喷头喷墨的状态，喷头模型的设计要与实际使用的喷头结构参 数相同；另一方面，要考虑在仿真过程中模型结构对于仿真的影响，可否在合理 的情况下适当优化模型的结构，减少计算机迭代计算工作量。根据在实际观测中 所使用的 DOD 打印喷头，建立喷头仿真模型，另外整个仿真模型不仅包括喷嘴位置，还包括墨滴飞行的气相区域，预计模型的几何参数见表 2-1。

表 2-1 喷墨头几何模型参数表

然后在 Gambit 软件中根据模型几何参数建立喷头喷墨模型。在Gambit 中建立喷头模型，对模型进行网格划分，网格的数量和精细度往往决定了模型仿真结果的准确程度，网格类型选择四边形非结构网格。喷头模型所图 2.23所示。

图 2.3喷墨头网格模型

2.5 输入分析

选取合适的模拟参数，改变不同喷头控制参数（驱动电压）及墨水本身性能参数（粘度、表面张力）来观察喷头喷射墨滴的成形过程，与仿真模拟结果对比，得出喷头驱动电压和墨水粘度、表面张力对束流的形成与断裂，墨滴飞行速度及卫星点形成的影响。其中粘度与表面张力由具体研究的流体类型决定。

2.6 模拟结果与分析

改变模拟参数，分析模拟结果中流体分布情况，得出研究驱动参数和墨水本身性能参数与墨滴飞行状态的关系，提升墨滴成形质量。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 周诗贵，习俊通.压电驱动膜片式微滴喷射仿真与尺度一致性实验研究[j]机 械工程学报，2013，49（8）： 178-185.

[2]wenlong lv,yang liu,donghang chen.design and simulation of electrostatic inkjet head[j].the 5st ieee international conference on nano/micro engineered and molecular systems,2010:20-30.

[3]晓舟.应用于电路板字符喷印的供墨系统研究[d]. 武汉：华中科技大学，2011.