压电式喷头的原理及其应用探究
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【摘 要】为满足现代3D行业对打印产品质量以及打印效率的各项要求，行业内专业人士开始对打印喷墨系统，尤其是压电式喷头展开了深度研究。为明确压电式喷头的原理，掌握正确的设备运用方式，本文将以PQ系列压电式喷头为例，对压电式喷头工作原理与应用展开全面探究，期望能够为压电式喷头的使用提供一定启示与帮助。
【关键词】压电式喷头;PQ系列;工作原理;机械运动
中图分类号： TS194.373 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0096-002
经过长期使用发现，压电式喷头具有工作寿命长、性能稳定等方面优势，在3D打印过程中有着不可忽视的作用与价值，在图像输出设备中有着极为广泛的应用。为对压电式喷头展开更加全面的探究，掌握喷头工作原理，研究人员首先应对PQ系列压电式喷头进行基本了解。
1 PQ系列压电式喷头
PQ系列压电式喷头，即美国北极星喷头。该喷头是美国厂家生产的精密仪器设备，属于高光谱描绘功用喷墨打印头，分辨率可以达到1000dpi，点火频率可控，最高可以达到50KHz，在UV宽幅打印机以及相关打印机设备中应用表现极为出色。同时每组喷头最多有4条进墨通道，保证每个喷头墨水供应充足、稳定。温度传感器以及加热器可实现对墨水粘度温度进行有效的控制，能够保证墨水喷发温度在60℃左右。北极星喷头的电接口包括电连接和插脚引线，以及驱动器芯片模块（DCM），DCM设计用于单片北极星256喷嘴PZT模块，模块施加的正激励脉冲可达150V。北极星DCM由一块多层主印刷电路板部件构成，印刷电路板额定厚度1.0mm（0.040英寸），制造材料为UL94V-0等级玻璃纤维。北极星喷头在使用过程中可能会出现断墨的情况，打印前打印测试纸正常但是打一会图片再打印测试纸有断墨的现象，清洗压墨后又正常喷墨，打一会还是断。
2 压电式喷头原理
（1）北极星喷头压电晶体的主要材质为PZT（锆钛酸铅），它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构。PbTiO3和PbZrO3是铁电体和反铁电体的典型代表，因为Zr和Ti属于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空间点阵形式，但两者的宏观特性却有很大的差异，钛酸铅为铁电体，其居里温度为492℃，而锆酸铅却是反铁电体，居里温度为232℃，如此大的差异引起了人们的广泛关注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶体后发现PZT具有比其它铁电体更优良的压电和介电性能，PZT以及掺杂的PZT系列 铁电陶瓷成为近些年研究的焦点。压电晶体特性主要体现在两点：（1）晶体在外力作用下发生变形之后，会释放一定量的电荷进而产生电压，打火机点火就是较为典型的压电晶体在外力作用下放电的例子;（2）当向压电晶体施加一定量电压时，晶体会出现变形现象，将这一特性应用到喷头中，便会形成压电式喷头[1]。
（2）压电式喷头是指在已经完成设计的结构中，通过外加电压的方式使压电晶体变形，使结构内液体储存装置体积发生改变，内部流体从固定孔中流出，从而完成墨滴喷射任务。在具体操作过程中，外加电压大小以及波形的不同，会对压电晶体变形方式产生直接影响，从而影响喷墨速度和墨滴大小。
（3）通常每个压电喷头都是由上百个喷嘴所组成的，在进行喷头生产时，可能会因为压电晶体自身特性或加工误差，而造成喷嘴喷出墨点性能存在差异[2]。墨点误差主要包括墨点运动轨迹误差以及墨滴量误差等，一但误差形成，便会对打印过程喷墨的效果产生影响，除此之外，喷头的安装精度以及打印头安装底板的设计对喷墨的质量也有很大的影响。因此，在进行打印头设计及安装过程中，需要做好影响因素的控制，以保障最终打印产品的质量。
3 供墨
建立一个高效和实用的供墨系统对于提高打印头的性能是至关重要的，与各种喷射液的长期相容性有助于各种各样的应用都可获得可靠的打印结果。打印头在导入任何喷射液之前，要先冲洗其喷墨系统，如果忽略掉这一步骤，则会引起不必要的问题。
4 应用
4.1 机械传动误差分析
机械运动误差主要分为两种，一种是喷头在进行横移过程中所产生的周期性传动误差，另一种是制造公差。在两种误差中，传动误差通常会和RIP周期性形成重合共振的状况，会对设备使用形成较大影响，需要进行控制。
4.2 打印质量提升措施
为保证最终打印产品的质量，可通过以下几种措施，提升打印质量：（1）合理选择频率，要以喷头工作频率为原则，但也要考虑产品的强度，频率越低，喷墨量越小，强度越低;（2）科学选择分辨率，分辨率决定了打印方向相邻两个墨滴的距离，分辨率的选择会对打印用墨量以及打印速度产生直接影响，分辨率的高低程度与打印速度成反关系，与用墨量成正比关系，所以操作人员要按照实际打印需要与成本控制要求，选择合适的分辨率;（3）控制喷头与介质的距离，确保其能够尽量靠近打印介质表面。打印过程中单个墨滴离开喷孔后的运动实际是抛物线运动，喷头与介质距离越近，墨滴落到介质上的时间就越短，墨滴在打印方向由于惯性运动发生的偏移量就越小，从而相邻2PASS对接处的偏差越小。
4.3 喷头工作电压与频率
喷头无法单独作业，需要在驱动电压与频率的作用下实现喷墨打印。通常喷头工作频率与打印速度呈正比关系，但在喷头内部液体影响下，喷头打印频率无法达到预期目标，会受到一定程度的限制。
喷头打印电压幅值会对压电晶体电压形成直接作用，幅值越大，晶体变形程度也会越高。一般打印电压都可以达到110V左右，在进行波形设计时，需要注意高电压下降沿、上升沿斜率，应利用稳定时间对电压振荡进行稳定，以保证每个墨滴的速度、体积符合要求，从而保证打印产品的质量。
5 结束语
鉴于压电式喷头在使用过程中的诸多问题，在以后的工作中还应加大对压电式喷头的研究力度。在了解喷头工作原理与基本情况的基础上，对其应用展开进一步研究与分析，从而解决实际问题，提高打印产品质量。由于时间限制，本文所介绍压电式喷头内容并不全面，应用部分内容也未必适合所有喷头，只希望可以起到抛砖引玉的作用。
【参考文献】
[1]魏振先，魏修亭，郭翠平，等.收缩管型压电式喷头微滴喷射仿真及实验研究[J].现代制造工程，2017（12）：96-100.
[2]李勇，孔春偉，何继爱，等.剪切型压电喷头驱动电源的设计与实现[J].电子技术应用，2016，42（8）：148-153.
[3]蔡锦达，李翔，姚尚金.组合式压电喷头制备生物芯片的方法研究[J].包装工程，2016（11）：190-194.
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