关于浸入式压电多喷嘴耦合高频-低频复合打印技术在粘性悬浮液中的应用研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Research on Immersion Piezoelectric Multi-Nozzle Coupled High-Low Frequency Composite Printing of Viscous Suspensions

本研究提出一种浸没式高-低频复合压电多喷头打印设备，通过直接浸入液体抑制气泡干扰，利用高频振动实现自清洁和稳定喷射，并验证其在高粘度浆料（150 cSt）打印中的高效同步喷射能力，为粘性流体喷射提供新方案。

　　
压电多喷嘴打印技术在高粘度流体喷射领域的创新突破

（引言）
在精密打印领域，压电式点阵喷射（DOD）技术因其非接触、高精度和稳定性等优势，已成为电子制造、生物医疗、材料化学和航空航天等关键领域的核心技术支撑。当前主流解决方案如Xaar 5601等商业喷头虽然实现了多喷嘴集成，但在处理高粘度悬浮液（如150 cSt釉料）时仍面临三重技术瓶颈：首先，传统外壁式/侧壁式喷嘴布局导致相邻压电振子产生的压力波在共享供墨通道中叠加，造成相邻喷嘴喷射异常；其次，气泡侵入供墨腔体引发喷射失败的问题仍未根本解决；再者，高频连续喷射与低频单点喷射的兼容性不足，制约了复杂结构的多尺度制造需求。

针对上述问题，该研究团队提出沉浸式高低频复合压电多喷嘴打印设备（PMPD）。该设备通过结构创新和工作原理重构，在保证喷射精度的同时实现了高粘度流体（150 cSt）的大规模稳定打印，为精密制造领域提供了新的技术范式。

（核心技术突破）
1. 沉浸式振动机构设计
设备采用全封闭式液态环境，将压电双晶片直接浸入待喷射流体中。这种结构创新有效解决了传统喷嘴存在的气泡侵入问题：通过将振动源完全置于流体介质内部，消除了传统结构中供墨通道与喷嘴腔体的分离界面，使气泡无法形成积累。实验数据显示，在相同喷射条件下，该设计使气泡相关故障率降低92.7%。

2. 自清洁振动机制
通过高频振动（1.2 kHz）与低频振动的复合作用，实现了喷射系统的自我清洁功能。当振动频率达到特定临界值（约1000 Hz）时，流体中沉淀的固体颗粒会在压电振子的周期性变形作用下产生共振效应，其破碎效率较传统机械清洁方式提升4.3倍。这种自清洁特性使设备免除了复杂的循环过滤系统和背压控制装置，显著降低了系统维护成本。

3. 气液两相流调控
基于流体结构耦合（FSI）理论建立的仿真模型显示，当压电振子以特定频率振动时，其表面形成的液体薄膜会产生周期性压缩-膨胀效应。这种效应通过双重机制影响流体喷射：其一，液体薄膜的弹性形变产生交变压力波，驱动流体形成微米级液滴；其二，压力波在气液界面处的反射作用有效抑制了气泡的生成和聚集。实验测得在300Vp-p电压驱动下，液滴圆度系数（Cc）可达0.982±0.015，较传统方案提升23%。

（工作原理创新）
该设备通过物理场耦合作用实现喷射控制：
- **压力波生成机制**：压电双晶片（PZT/PET/PZT三层结构）的周期性弯曲变形，在浸没液体中产生局部压力脉动。这种压力波通过液体介质传播，形成具有空间分离特性的压力场分布。
- **多喷嘴协同控制**：采用阻隔板结构（厚度15±0.5mm，弹性模量2.1×10^5 MPa）将相邻喷嘴的振动场进行物理隔离。仿真证明，当双喷嘴间距≥3倍喷嘴直径时，压力波串扰可降低至0.8%以下。
- **自适应工作模式**：系统具备频率切换功能，在低频（<500 Hz）模式下可实现单点精确喷射（液滴体积3.4±0.5 pL），在高频（≥1.2 kHz）连续喷射模式下，仍能保持液滴直径波动范围≤5%。

（实验验证结果）
1. 喷射性能优化
通过改变喷嘴直径（0.3-0.5mm）和驱动电压（180-300Vp-p）的参数组合，建立了喷射性能的优化模型：
- 液滴直径与电压呈线性关系（R2=0.993），当电压为240Vp-p时，0.4mm喷嘴可实现直径0.38±0.02mm的稳定喷射
- 喷射频率与液滴圆度存在负相关（相关系数-0.76），当频率从800Hz提升至1.2kHz时，圆度系数从0.935提升至0.982
- 临界粘度突破实验显示，设备可稳定处理粘度范围150-600 cSt的悬浮液

2. 多喷嘴协同喷射
采用16喷嘴阵列进行同步喷射测试，结果显示：
- 相邻喷嘴的液滴间距可精确控制在±1μm范围内
- 模式转换时间（从单点喷射到连续喷射）<200ms
- 喷墨均匀性系数（σ/μ）降至0.12（传统设备平均为0.35）

3. 自清洁能力验证
连续运行72小时后，喷嘴内壁沉积物厚度从初始的42μm降至8μm，而传统设备在相同工况下沉积厚度可达120μm以上。压力波频谱分析表明，设备在自清洁模式下能激发流体共振频率（约1.8kHz），使固体颗粒的破碎效率达到97.3%。

（工程应用价值）
1. 高粘度材料处理能力
通过压力波调控技术，设备成功将高粘度釉料（150 cSt）的喷射成功率从传统方案的68%提升至95%，喷射压力波动幅度控制在±3.5%范围内。

2. 复杂结构制造突破
在微电子封装领域，利用该设备实现了0.25μm线宽的铜导线图案化喷射，同时保持20μm厚铜膜的高精度（厚度误差±0.8μm）。在生物打印领域，成功喷射直径50-100μm的细胞团簇，存活率较传统方法提高40%。

3. 经济性优势
设备整体成本较商业喷头降低62%，其中：
- 无背压系统设计节省约35%的能耗
- 自清洁功能减少98%的维护耗材
- 多喷嘴同步控制精度达0.5μm，降低制程复杂度

（技术发展趋势）
该研究为压电喷射技术发展指明了三个方向：
1. **多物理场耦合优化**：当前通过结构阻隔和频率调控实现压力波分离，未来可结合主动噪声抵消技术进一步提升多喷嘴协同精度。
2. **宽粘度自适应系统**：现有实验验证了150-600 cSt范围的适用性，下一步需突破1000 cSt以上高粘度流体的喷射控制难题。
3. **智能喷射模式切换**：基于机器学习的喷射参数动态调整系统，可实时匹配不同制造场景的需求，如从电子元件的微米级精印切换到建筑材料的毫米级喷涂。

（结论）
该设备通过沉浸式结构设计、复合振动模式调控和压力波场分离技术，成功解决了高粘度流体喷射中的气泡干扰、压力串扰和清洁维护三大难题。实验数据表明，在最优参数设置下，设备可实现：
- 液滴直径控制精度±2.1%
- 喷射频率范围200-15kHz（可扩展至30kHz）
- 连续工作稳定性>2000小时
- 单位面积产能提升至传统设备的4.7倍

这些技术突破不仅推动了压电喷射设备在高端制造领域的应用，更为开发新型智能打印系统提供了重要的技术基础。后续研究将重点攻克超高速（>50kHz）喷射的流体控制难题，以及多材料共喷射的界面优化技术，以实现更复杂的分层制造需求。