噴墨列印之墨滴說走就走的旅程

2021-01-14 噴印技術

噴墨列印技術並不是一種單一的技術，而是包含了各種互相關聯的、不同領域的複合型技術。今天我們就從其中的一個小點切入，以按需噴墨列印（DOD）中壓電噴墨門類下的剪切力型噴頭（Top down schematicof a shear mode print head）為例為大家介紹一下這種全新的列印技術。接下來，請大家跟著小墨滴來一趟說走就走的旅行吧！



剪切力型的DOD列印頭上有一個小腔室，腔室的一側連接有供給管，供給管連接著儲存墨水的墨囊，在腔體的另一側有噴嘴出口。小墨滴進入小腔室之後，便開始等待旅行的開始。


圖2剪切力型列印噴頭



壓電元件（PZT）靠近腔體通道的上半部分，在PZT上施加電壓後，由於壓電效應，通道的上半部分變形，下半部分不變，使得通道成為人字形。腔體體積的突然減小，將產生能夠噴出小液滴所需的脈衝壓力。由於壓力波會將液體從噴孔處推擠，形成一個長液帶因此，如果有足夠的能量可以克服液體的表面能，液體就會由噴孔噴出（圖3）。


圖3液體在噴口附近的受力情況


緊接著，壓力波經過在容腔內的傳遞，由閉口端反射而來的負壓力波將噴出的液體帶回，使得噴嘴噴出的細流發生縮頸和剪斷，形成有球莖狀頭端的無約束液帶。小液滴也就終於從列印噴頭上脫落下來開始自由飛翔啦。



圖中第一行右側可以看出，在飛行過程中，小液滴身後往往還會有個小尾巴。這個因小曲率半徑而被剪斷的尾巴末端壓力較高，尾部的液體向小液滴的球莖狀頭端流動，出現長液帶退縮現象。在長液帶收縮期間，靠近球莖狀頭端的第二個縮莖逐漸發展，縮莖的半徑不斷縮小，直至一個小液滴分裂成了兩個，其中大的叫做主液滴，小的叫做衛星液滴。


圖4通過機器視覺系統捕捉的一組墨滴下落瞬間的照片


衛星液滴與主液滴合併時，剩餘的表面能會轉換為液滴中液體的動能，當能量在動能和表面能之間來迴轉換時，小液滴的表面將發生振蕩，情況如上圖（圖4）第二行右側所示。小墨滴的實際飛行中還有可能碰到各種各樣的意外情況，例如：在噴墨過程中，當點間距相同的情況下，在PZT上施加的脈衝電壓頻率越高，噴墨列印的效率越高。但是，如果液滴的噴射頻率太高，會使得噴頭上相鄰噴頭所連接的腔體之間發生串擾，脈衝電壓需要保證在一定範圍之內。



小墨滴在空中飛行時，實際的飛行路線還會受到氣流顛簸的影響，但不論如何，小墨滴現在終於平安到達了基底。為了保證列印圖形的精度，以及保證列印的圖形電路能夠完成特定的功能，我們需要小墨滴整齊的在基底上手拉手排好隊。


小墨滴單個沉積在基底上就是一個點，不過，當墨滴與墨滴相互非常接近的時候，它們就會組建成新的結構。下圖顯示了一組列印的線條，墨滴的點間距從左往右逐漸減小。


圖5一組列印在特定基底上的墨滴線段


上圖中，c線中的小墨滴是排隊最整齊的，隊伍的邊緣最光滑，隊伍的形狀最優。隊伍的形狀也和基底的溫度有關，但如果小液滴中的溶劑易揮發，即使是基底溫度不是很高，在大量材料沉積，或者點間距很小的情況下，列印出來的線條也會出現膨脹（圖4d）甚至堆疊出硬幣的形狀（圖5e和圖6）。小墨滴會堆疊出硬幣形狀是因為前一個墨滴落在基底上後，溶劑已經部分揮發，後一個墨滴再滴上時與第一個墨滴的會形成重疊與邊界區域。此外，小液滴還存在一定的流動性，這種流動性也會影響邊界的具體形態（圖7）。


圖6列印的電子元件線條出現硬幣狀堆疊


圖7邊界的邊緣部分的流動出弧線形


將數據羅列在下圖（圖8）中的二維坐標上，可以發現針對含有特定溶劑的墨滴需要在特定的溫度下列印，這就要求保證小墨滴落下的時間間隔（delay）與墨滴間距（dotspacing）在一個合適的組合範圍內。過高的基底溫度、過長的時間間隔、或者過小的墨滴間距都有可能導致列印線條堆疊成硬幣狀；而在基底溫度較低的情況下，過短的時間間隔或過大的墨滴間距，又會導致列印出的線條於基底上擴散等一系列其他問題。


圖8時間間隔與墨滴間距對於列印線條的影響


至此為止，小墨滴從墨囊出發，由腔室經過噴頭噴射、飛行、衝擊、擴散，最終在基底這一新家上凝固，有序地入住新居！小墨滴的旅程也就告一段落了



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