差频聚焦超声的高粘度墨水打印技术_交底书
差频聚焦超声的高粘度墨水打印技术
发明人： 杨万里 毕海 徐成 孙嘉清
1. 本发明要解决的技术问题
本发明公开了一种差频聚焦超声的高粘度墨水打印技术。克服以往喷墨打印中对墨水低粘度的要求，同时也克服在电流体打印中对墨水导电性的需求。在常规打印中，由于微流道的浸润性以及毛细管力作用下而难以单纯通过重力来从墨孔喷出。此时需要借助外力如压电陶瓷压力或者电流体中垂直方向电场力的作用。喷墨打印由于采用压电陶瓷微结构的设计导致喷孔流道难以产生较大的挤压力，而电流体打印需要墨水具有导电的特性，使得许多高粘度和不导电的高分子聚合物难以适用在这些打印技术中。在本发明中，利用垂直声波调频提供可控声场力来驱动高粘度墨水打印。这些技术依赖于对声场的频率精确控制以及管道尺寸的声学设计，使得声波打印技术能成为支持智能制造、药物研发、新材料合成、食品研发等垂直行业应用的关键技术之一。
2. 技术背景
在超声打印过程中是利用声辐射力来实现墨水驱动；关于声辐射力可以查看相关声波悬浮理论知识，其中超声辐射力的理论部分得到了大量的实验支持，其辐射力主要集中在轴向、径向定位力以及驻波共振、固体与液体耦合振荡、液滴变形和分解等研究。
基于传统的压电陶瓷挤压式喷墨打印技术，在压力设计中通常满足谐波波压力曲线。因此在高粘度喷墨打印过程中通过调节超声频率使得声辐射力产生类谐波压力曲线，从而保证打印过程中墨滴体积和速度保持稳定。在本发明中，差频超声波打印方式就是需要利用两种不同频率的声辐射力耦合以及辐照实现类谐波压力来打印高粘度墨水，即利用具有一定频差的声波约束在共焦区域的非线性干涉效应，并在共焦区产生可以调制的声场。
由于超声声场辐射范围大，导致辐射力发散不足以达到挤压墨水的力大小。通常在设计过程中，通过提高超声功率，如增加超声波声压或声强、辐照时间等来实现更大的声辐射力。这类设备通常体积大而且效率较低，不利于多孔打印集成。
- 现有技术缺点
常规喷墨打印和电流体打印分别合适具有低粘度、特定电磁特性的材料打印。而高分子高粘度液体在工业制造、药物合成、生物研究以及食品加工领域占有重要的地位。针对高粘度墨水通常使用气压与针管实现液体挤出，但该方法往往受到环境和气压精度的影响从而难以得到精确的液体体积，同时针管和气压组合设备体积较大，难以实现数十个甚至数百个喷口的集成。本发明针对上述问题提出一种差频聚焦超声波的高粘度喷墨打印方法，并针对超声波换能器、聚焦方式以及反馈控制等设计一套高效实用的打印方式。
4.本发明技术方案的详细阐述
在超声波的喷墨打印中，不同于压电陶瓷直接作用力，在超声波辐射力场中，墨水会对声辐射力的机械响应而发生声场方向的移动，在打印过程中利用喷孔管道压力方向、声辐射力方向以及重力方向使得高粘度墨水具有垂直向下的合力，该合力提供了墨水挤压的作用力。在超声波高粘度打印过程中，挤压力主要依赖于超声频率、声压或声强、短脉冲和辐照时间。
F表示单位体积的声辐射力，r表示位置，表示声传播速度，表示n次谐波的声吸纳系数，声吸收系数与频率存在幂次关系：， 表示声吸收指数，表示n次谐频的声强。
对于高粘度墨水其粘滞系数和喷孔管壁剪切粘度关系有：
(1)超声波换能器工作原理：
超声波换能器工作原理
压电换能器是通过压电材料的特性在电场作用下发生变形，也是利用压电晶体的逆压电效应而形成的超声换能器。将压电陶瓷做成片状并进行极化处理，上下表面涂银层做电极，并在压电片之间加一电场。利用电场和极化方向的高频切换，从而获得超声波脉冲。
- 当外加电场与极化方向同向时，压电片的极化强度被外加电场增强，极化强度的增强，使得沿极化方向的压电片产生拉伸变形；
- 当外加电场与极化方向反向时，压电片的极化强度被反向电场削减，使得压电片产生沿极化方向的压缩变形
(2)差频共焦超声设计：
在差频聚焦超声波束中有：
式中，和分别是孤型超声波束在n次谐波对应的复数声压幅度。该方程表示在两声束干涉区域产生的声场不仅包含了角频率和的声场，还包含了对应的声场。由于高频部分的声能量不在低频范围内，所以去掉了高频部分对调制声辐射力的影响。
在差频超声打印设计中利用一对或者多对弧形换能器，并根据不同频率脉冲实现差频聚焦的声场辐射力。为了利用辐射力与重力得到向下的合力，其中要大于墨水阻力才能使得高粘度墨水喷出。
其中,
(是重力加速度，液滴密度，表面张力，d是喷嘴直径)
其中，
， ，
（ R是墨滴直径）
在喷口设计中，针管需要根据喷嘴利用弧形超声换能器实现垂直向下的力，根据打印墨滴体积范围设计超声波聚焦高度，同时由于墨滴下落的速度和水平方向的行进速度需要控制基板与喷口的高度L从而得到打印间距，针对喷嘴处的斜面高度为来获取声波辐射力与重力的合力。
其中，根据流体力学仿真分析可以得到，d=0.5mm，而=3mm，L为超声波的半波长，喷口直径为50um,
单喷孔超声波喷墨打印设计
（3）超声波打印控制反馈：
对于高粘度墨水,其奥内佐格数(Ohnesorge number)：。对于传统打印机，其低粘度墨水的Z值通常处于较小的范围：0.1<Z<1，而对于高粘度墨水如UV胶水通常在10~100之间，蜂蜜甚至高达到400多，这类粘度的墨水是无法正常使用传统打印机实现墨水打印。
多喷孔高粘度墨水打印反馈控制
在多喷高粘度墨水打印中，由于压电陶瓷与针管之间的加工差异很难保证多喷口墨滴的均一性，在本发明中，通过高速相机对墨滴打印实现实时监控，通过机器学习算法来实现墨滴轮廓的采集，从而获取墨滴体积与速度，并根据FPGA的超声波形来训练得到目标墨滴的体积与速度对应的超声波波形。
机器视觉反馈控制图
- 本发明的关键点与预保护点
- 差频聚焦超声波的喷墨打印；其中，差频聚焦方法目前还没有用于喷墨打印，但在其他领域有理论基础。
- 针对差频超声辐射力场设计，弧形超声波环能器；通过错位法实现一对甚至多对超声波发射。
- 针对声场辐射力设计墨管外形尺寸；利用辐射力与重力的合力，实现高粘度墨滴从墨孔孔喷出。
- 超声波喷孔集成与机器视觉反馈；针对差频聚焦超声实现声波频率与辐照时间控制，从而得到稳定的高粘度墨滴体积和速度。
- 基于FPGA多路输出的差频超声波多喷孔控制方案；在喷墨打印过程中，为了满足扫描方向同步打印，采用FPGA同步超声波波形，实现高频打印。