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研究生: 張益彰
論文名稱: 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
指導教授: 劉通敏
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 微視流技術壓電噴墨頭擠出脫離分離毛細數
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  • 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。


    目錄 摘要 I 誌謝 II 符號說明 X 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧及研究目的 10 2.1文獻回顧 10 2.2研究目的 16 第三章 實驗設備與方法 17 3.1實驗參數 17 3.2實驗設備 18 3.3實驗方法 20 3.4實驗量測相關誤差 21 第四章 結果與討論 23 4.1商用墨水之實驗探討 23 4.1.1驅動電壓與頻率對商用墨水之墨滴演化過程的影響 23 4.1.2商用墨水之墨滴生成及演化過程 25 4.1.3實驗與數值模擬之比較 25 4.1.4消除衛星液滴及縮小液滴尺寸之探討 26 4.2 不同濃度下之PEO( Poly(ethylene oxide)) Solutions 27 4.2.1 PEO墨滴瞬時演化過程之探討 27 4.2.2 PEO濃度與墨滴速度、液滴尺寸之探討 28 4.2.3 PEO墨滴噴射之準確性 29 4.3 PEDOT Solutions 30 4.3.1PEDOT墨滴瞬時演化過程之探討 30 4.3.2不同瞬時下之PEDOT墨滴長度 31 4.4 MEH-PPV 31 4.4.1 MEH-PPV墨滴瞬時演化過程之探討 31 4.4.2不同瞬時時間下MEH-PPV墨滴長度 32 4.5 生物試劑(Blocking reagent and Washing reagent) 32 4.5.1.1 Blocking reagent墨滴瞬時演化過程之探討 32 4.5.1.2不同瞬時時間下生物試劑(Blocking reagent )墨滴長度 33 4.5.2.1 Washing reagent墨滴瞬時演化過程之探討 33 4.5.2.2不同瞬時時間下生物試劑( Washing reagent)墨滴長度 34 4.6 黏滯力與表面張力對墨液生成及演化過程之影響 34 第五章 結論與建議 38 5.1結論 38 5.2建議 39 參考文獻 41 圖目錄 圖一、噴墨印表機模組 46 圖二、連續式噴墨印表機 46 圖三、需求式噴墨頭之分類 47 圖四、熱氣泡式噴墨印表之驅動機制 47 圖五、收縮管型壓電式噴墨頭 48 圖六、推擠型壓電式噴墨頭 48 圖七、剪力型壓電式噴墨頭 49 圖八(a)、彎曲型壓電式噴墨頭 49 圖八(b)、彎曲型壓電式噴墨頭構造 50 圖九、Microfab之焊錫凸塊於微處理器試驗片上 50 圖十、數值模擬設計之消除衛星液滴與縮小墨滴之電壓脈衝波形 51 圖十一(a)、微尺度視流系統實驗設備示意圖 51 圖十一(b)、微尺度視流系統實驗設備照片圖 52 圖十二、EPSON Stylus C45UX系列噴墨印表頭 52 圖十三、黏滯係數量測儀 53 圖十四、SurfaceTech接觸角測量儀 54 圖十五、不同電壓下之墨滴長度對時間關係圖 55 圖十六、不同研究學者之驅動電壓對墨滴速度關係圖 55 圖十七、不同頻率下之墨滴長度對時間關係圖 56 圖十八、不同研究學者之操作頻率對墨滴速度關係圖 56 圖十九、不同瞬時下墨滴生成及演化過程 57 圖二十、操作頻率分別為10kHz與15kHz下,實驗與數值模擬之墨滴脫離 (Liftoff)比較圖 57 圖二十一、頻率分別為10kHz與15kHz下(驅動電壓:26V),實驗與數值模擬之墨滴分離 (Breakup)比較圖 58 圖二十二、實驗量測與數值計算墨滴前端與噴嘴距離對時間關係圖 58 圖二十三、商用墨水之墨滴前端與噴嘴口距離於不同時間下之(a) 數據圖演化; (b)飛行過程 59 圖二十四、0.25wt%PEO於不同瞬時下墨滴生成及演化過程 59 圖二十六、PEO之墨滴速度、尺寸與濃度之關係圖 60 圖二十七、不同濃度PEO之角度偏差量 61 圖二十八、PEDOT於不同瞬時下之墨滴生成及演化過程 61 圖二十九、PEDOT之墨滴長度對時間關係圖 62 圖三十、MEH-PPV於不同瞬時下之墨滴生成及演化過程 62 圖三十一、MEH-PPV之墨滴長度對時間關係圖 63 圖三十二、Blocking Reagent於不同瞬時下之墨滴生成及演化過程 63 圖三十三、Blocking Reagent之墨滴長度對時間關係圖 64 圖三十五、Washing Reagent之墨滴長度對時間關係圖 65 圖三十六、不同學者其表面張力對墨滴長度脫離噴嘴時之關係圖 65 圖三十七、不同學者其黏滯力對墨滴長度脫離噴嘴時之關係圖 66 圖三十八、不同學者其表面張力對脫離噴嘴時之墨滴時間關係圖 66 圖三十九、不同學者其黏滯力對脫離噴嘴時之墨滴時間關係圖 67 圖四十、不同學者其表面張力對墨滴速度關係圖 67 圖四十一、不同學者其表面張力對墨滴速度關係圖 68 圖四十二、1 / Re對墨滴速度(Vd / Ve)關係圖 68 圖四十三、1 / Re對墨滴速度(Vd / Vi)關係圖 69 圖四十四、1 / We對墨滴速度(Vd / Vi)關係圖 69 圖四十五、1 / We對墨滴速度(Vd / Ve)關係圖 70 圖四十六、毛細數對墨滴脫離噴嘴時之長度關係圖 70 圖四十七、毛細數對墨滴脫離噴嘴時之時間關係圖 71 圖四十八、不同濃度PEO溶液墨滴速度與毛細數關係圖 71 圖四十九、所檢視之工作流體(牛頓流體)與毛細數之關係圖 72 圖五十、毛細數對墨滴速度關係圖 72 圖五十一、所檢視之工作流體,不同瞬時之墨滴長度 73 表目錄 表一、熱氣泡與壓電式噴墨列印之優缺點 74 表二、旋轉塗佈法與噴墨列印法之比較 75 表三、數位印花與傳統印花之比較 76 表四、噴墨技術於相關工業之應用,操作頻率與電壓範圍 77 表五、不同濃度PEO之飛行軌跡偏差量 78 表六、Litrex 公司應用於FDP上可容許之θd (deg)與 Sd (μm)範圍 78 表七(1)、工作流體之物性表 79 表七(2)、工作流體之物性表 80 表八、噴墨技術應用於工業上之墨滴速度表 81

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