设计可实现材料精确沉积的喷墨打印头

2017年 1月 4日

如果喷墨打印头喷嘴的设计欠佳,那么无论是用于 2D 或 3D 打印机、集成电路的制造,还是 DNA 合成,都无法达到优异的最终产品质量。借助仿真,您可以通过确定理想的喷嘴尺寸,实现材料的精确沉积。同时借助 COMSOL Multiphysics® 仿真软件,您还可以进一步将模型封装为 App,方便其他项目合作者使用,从而有效节省时间。

喷墨打印头喷嘴:各种应用中的关键组件

喷墨打印机被广泛用于输出高分辨率的平面数字图像和文本。工作时,打印头经喷嘴向纸张喷射小液滴,绘制成特定的图案。除了纸张图像打印外,喷墨打印技术也常用于 3D 打印过程。打印头在特定类型的粉状印刷材料上移动,并通过喷嘴将液滴沉积到粉末上,液体随后会凝固成预先定义好的三维形状。(提示:请访问 3dprinting.com 网站观看操作过程视频。)此外,诊断、分析和药物发现领域的生命科学应用也普遍使用了喷墨打印头。综上所述,喷嘴是大型仪器的一个组成零件,主要作用是以极其精确的方式沉积微小的液滴。

仿真结果展示了喷嘴在不同时间喷射出的墨滴。
由打印机喷嘴沉积的墨滴,墨滴在空气中流动,直到到达目标。该模型是利用 COMSOL Multiphysics® 软件创建的。

不论设备或机器是哪种型号,均依赖喷墨打印头来沉积材料,精确度始终是决定性因素。所以我们可以这样认为:终端产品的质量取决于喷嘴的设计。

利用仿真研究喷墨打印机喷嘴内的流体流动

液滴尺寸是喷墨打印机喷嘴一个关键的设计参数。为了制造出期望的尺寸,您需要优化喷嘴的设计和打印机的工作条件。相比于实验室中对喷嘴原型的制作和测试,仿真软件可以帮助研究人员更好地理解流体喷射的物理过程,并据此确定最优设计。COMSOL Multiphysics® 就是一款符合条件的仿真软件包。

当使用 CFD 或“微流体”附加模块对 COMSOL Multiphysics 进行扩展后,便可以创建模型并借此进一步了解墨水属性和喷嘴压力分布对液滴速度、体积,以及卫星液体的影响。

 

利用水平集方法创建的模型,它可用于追踪空气和墨水之间接触面。液滴周围的颜色图表示液体在空气中的速度大小。

当喷墨打印机的喷嘴喷射出液滴时,它的内部发生了什么呢?首先,喷嘴中充满了液体;然后,随着更多液体流入,原有的流体被挤出喷嘴;最后注入操作暂停,导致液流被“折断”。与此同时,喷嘴中的流体会向液滴传递压力,促使液体穿过空气,最终到达目标。在物理场方面,喷嘴内为单相流体流动。当液体在空气中移动时,流动就变成了两相流。

在本文中,我们不会详细介绍此模型的构建过程,不过您可以在“ 案例下载”页面中下载分步指导说明。

作为企业中小型仿真研究团队的仿真专业人员,团队的任务是为更多的同事和客户群体提供服务,他们需要借助您的模型做出重要的业务和设计决策。如果这些利益相关者可以反复修改参数并重新运行仿真,承担一部分参数优化工作,岂不是更好吗?

基于模型开发仿真 App 节约研发时间

借助 COMSOL Multiphysics 软件中内置的“App 开发器”,您能够将复杂的模型封装在自定义用户界面中。在构建自己的 App 时,您可以允许同事或客户访问模型的特定情况,同时隐藏无需更改的、过于复杂而不便展示的方面。举例来说,如果设计或制造部门的同事希望针对不同的几何形状和液体特性,测试相应的喷墨打印机喷嘴性能,他们可以在 App 的简单字段中输入不同的值,只需单击按钮,即可生成新的仿真结果。如此一来,每一次需要对基础模型进行少许修改时,他们就不必再麻烦您。既然同事或客户可以自己运行分析,您就可以将时间投入到新项目、模型和 App 上。

为了向您解释上文的意思,并鼓励您亲手创建 App,我们基于喷墨打印机的教学模型创建了一个演示 App。此 App 的用户可以分析各式喷嘴设计,借此探索哪一个版本能够生成理想的液滴大小。接触角、表面张力、粘度和液体密度等因素均呈现在了此 App 中。正如下方截图所示,App 用户可以通过修改不同的输入参数来调整喷嘴的形状和运转方式。

喷墨打印头设计示例 App。
喷墨打印头设计示例 App。在这个演示 App 中,用户可以修改液体属性、模型几何和仿真时间间隔。

通过创建和分享 App,您可以帮助其他利益相关者更快地做出明智的决策,而无需开放完整基础模型的访问权限。将模型转换为 App 时,只有 App 和身为设计者的您才能决定用户可以修改哪些输入项。原始模型文件在您的看护中安全地原封不动,最依赖模型的人亦能够任意访问全部结果。

亲手尝试

从“案例下载”页面下载 .mph 文件以及附带的教程模型和演示 App 文档,着手创建您自己的 App。

注册并登录 COMSOL Access 账号,即可可以下载文档。如需获取 .mph 文件,您还需要拥有处于有效期内的 COMSOL Multiphysics® 软件许可证或者试用许可证。请注意,您也可以通过软件自带的“案例库”直接访问这些文件。

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