目錄
譯者前言
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 墨滴的形成 3
1.3 表面張力和黏度 4
1.4 噴墨打印相關(guān)的無(wú)量綱組 6
1.5 噴墨打印中的長(zhǎng)度尺度和時(shí)間尺度 7
1.6 本書結(jié)構(gòu) 9
參考文獻(xiàn) 9
第2章 噴墨打印中的流體力學(xué) 11
2.1 引言 11
2.2 流體力學(xué) 11
2.3 量綱和單位 12
2.4 流體特性 13
2.4.1 密度 13
2.4.2 黏度 13
2.4.3 表面張力 15
2.5 力、壓力、速度 16
2.6 流體動(dòng)力學(xué) 17
2.6.1 流體動(dòng)力學(xué)方程 17
2.6.2 求解流體動(dòng)力學(xué)方程 22
2.7 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 23
2.7.1 前處理器 24
2.7.2 求解器 25
2.7.3 后處理器 25
2.8 噴墨打印系統(tǒng) 26
2.8.1 噴墨建模所面臨的挑戰(zhàn) 28
2.8.2 噴墨工藝 33
2.9 本章小結(jié) 46
參考文獻(xiàn) 47
第3章 噴墨打印頭 52
3.1 熱發(fā)泡式與壓電式噴墨打印機(jī) 52
3.2 熱發(fā)泡式噴墨 53
3.2.1 沸騰機(jī)制 53
3.2.2 打印頭結(jié)構(gòu) 57
3.2.3 熱發(fā)泡式噴墨的噴射特性 58
3.2.4 熱發(fā)泡式噴墨中壓力和熱量的相關(guān)問(wèn)題 60
3.2.5 水性墨水中水的蒸發(fā) 62
3.3 噴墨打印的未來(lái)展望 65
3.3.1 根據(jù)噴墨特性估測(cè)打印速度限制 65
3.3.2 控制高速干燥過(guò)程引起的滲色 66
3.4 連續(xù)噴墨 68
3.5 案例及問(wèn)題(熱發(fā)泡式噴墨) 69
3.6 壓電式噴墨打印頭 71
3.6.1 引言 71
3.6.2 驅(qū)動(dòng)原理 72
3.6.3 墨水流道性能 74
3.6.4 噴墨打印頭的控制 76
3.6.5 工業(yè)應(yīng)用 80
參考文獻(xiàn) 81
第4章 噴墨打印中墨滴的形成 86
4.1 引言 86
4.1.1 連續(xù)噴墨打印 86
4.1.2 按需噴墨打印 87
4.2 連續(xù)噴墨打印中墨滴形成過(guò)程 88
4.2.1 瑞利-普拉托不穩(wěn)定性 88
4.2.2 衛(wèi)星墨滴形成機(jī)理 91
4.2.3 墨滴最終速度 92
4.3 按需噴墨打印中墨滴成形分析 94
4.4 樣例 102
4.4.1 純慣性情況下拖尾形成 102
4.4.2 瑞利-普拉托不穩(wěn)定性的色散關(guān)系 103
致謝 105
參考文獻(xiàn) 105
第5章 噴墨打印中的聚合物 107
5.1 引言 107
5.2 聚合物的定義 107
5.3 基于來(lái)源和架構(gòu)的聚合物分類 107
5.4 分子量和大小 109
5.5 聚合物溶液 111
5.6 聚合物的結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)對(duì)噴墨配方性能的影響 113
5.7 高剪切環(huán)境中聚合物的齊姆解釋 115
5.8 含聚合物噴墨流體的可打印性 116
5.9 高分子量聚合物噴墨打印的仿真模擬 118
5.10 按需噴墨打印中聚合物分子量的穩(wěn)定性 120
5.11 連續(xù)噴墨打印中聚合物分子量的穩(wěn)定性 121
5.12 按需噴墨打印中締合聚合物分子量的穩(wěn)定性 123
5.13 噴墨配方中使用聚合物的案例研究 124
5.13.1 聚合物結(jié)構(gòu)的作用 124
5.13.2 聚(3,4-二氧乙基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)的噴墨打印 124
5.13.3 石墨烯和碳納米管復(fù)合材料的噴墨打印 125
參考文獻(xiàn) 125
第6章 墨水配方中的膠體粒子 130
6.1 引言 130
6.2 染料墨水和顏料墨水 130
6.3 膠體穩(wěn)定性 132
6.3.1 DLVO理論 132
6.3.2 范德瓦耳斯力 133
6.3.3 靜電斥力 133
6.3.4 膠體分散系的穩(wěn)定性 135
6.4 粒子-聚合物相互作用 136
6.4.1 空間位阻穩(wěn)定作用 137
6.4.2 橋連絮凝 138
6.4.3 空缺絮凝 138
6.5 其他墨水成分對(duì)膠體相互作用的影響 139
6.5.1 表面活性劑 139
6.5.2 黏度調(diào)節(jié)劑 140
6.5.3 保濕劑 140
6.5.4 乙二醇醚 141
6.5.5 貯存液、緩沖劑和殺菌劑 141
6.5.6 其他添加劑 141
6.6 膠狀分散體的特征 142
6.6.1 動(dòng)態(tài)光散射 142
6.6.2 電泳遷移率(ZETA 電位) 142
6.6.3 流變 143
6.6.4 大體積膠狀分散體 143
6.6.5 噴射 146
6.7 沉淀/沉降 147
6.8 本章小結(jié) 151
參考文獻(xiàn) 152
第7章 噴墨仿真方法 156
7.1 引言 156
7.2 建模的關(guān)鍵考慮因素 158
7.3 一維模擬 162
7.3.1 長(zhǎng)波近似 162
7.3.2 簡(jiǎn)單連續(xù)噴墨模型 163
7.3.3 簡(jiǎn)單連續(xù)噴墨模型的誤差分析 164
7.3.4 瑞利理論對(duì)模型的驗(yàn)證 166
7.3.5 探索參數(shù)空間 167
7.3.6 數(shù)值實(shí)驗(yàn) 168
7.4 軸對(duì)稱模擬 169
7.4.1 連續(xù)噴墨 170
7.4.2 按需噴墨 172
7.5 三維模擬 176
參考文獻(xiàn) 178
第8章 襯底上的墨滴 181
8.1 引言 181
8.2 牛頓液滴撞擊可潤(rùn)濕表面的實(shí)驗(yàn)觀測(cè) 183
8.2.1 初始速度對(duì)墨滴撞擊和擴(kuò)散的影響 185
8.2.2 表面潤(rùn)濕性對(duì)墨滴撞擊和擴(kuò)散的影響 187
8.2.3 流體特性對(duì)墨滴撞擊和擴(kuò)散的影響 189
8.3 量綱分析：白金漢 π 定理 190
8.4 墨滴撞擊動(dòng)力學(xué)：最大擴(kuò)散直徑 192
8.4.1 黏性耗散主導(dǎo)表面張力 194
8.4.2 扁平煎餅?zāi)Ｐ?194
8.4.3 動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為表面能 195
參考文獻(xiàn) 198
第9章 墨滴聚結(jié)和線條的形成 200
9.1 墨滴聚結(jié)對(duì)打印圖像成形的影響 200
9.2 墨滴聚結(jié)對(duì)功能材料和 3D 打印的影響 201
9.3 噴墨打印墨滴的聚結(jié) 202
9.3.1 表面上液滴的聚結(jié) 202
9.3.2 墨滴碰撞后聚結(jié) 206
9.3.3 噴墨打印墨滴的聚結(jié) 210
9.4 打印二維特征和線條 215
9.4.1 墨滴-液珠聚結(jié)模型 216
9.4.2 實(shí)驗(yàn)和觀察 217
9.4.3 穩(wěn)定體系和討論 223
9.4.4 結(jié)論 226
9.5 本章小結(jié) 227
9.6 思考題 228
參考文獻(xiàn) 228
第10章 液滴在襯底表面的干燥過(guò)程 231
10.1 引言 231
10.2 單一溶劑的蒸發(fā) 232
10.3 混合溶劑的蒸發(fā) 238
10.3.1 二元溶劑混合物的蒸發(fā)與拉烏爾定律 238
10.3.2 馬蘭戈尼流 239
10.4 液滴干燥過(guò)程中的顆粒輸運(yùn) 242
10.4.1 咖啡環(huán)效應(yīng) 242
10.4.2 顆粒遷移 246
10.5 復(fù)雜流體的干燥 246
10.5.1 接觸線的運(yùn)動(dòng) 246
10.5.2 顆粒特征 248
10.5.3 固體的分離 249
10.5.4 局部環(huán)境 250
10.5.5 襯底圖案化 251
10.5.6 干燥過(guò)程中膠體的不穩(wěn)定性 251
10.6 思考題 252
參考文獻(xiàn) 252
第11章 襯底表面墨滴的模擬 259
11.1 引言 259
11.2 基于連續(xù)體的液滴動(dòng)力學(xué)建模 259
11.2.1 有限元分析 260
11.2.2 自由表面的有限元邊界條件 261
11.2.3 移動(dòng)接觸線問(wèn)題 261
11.2.4 流體體積法 264
11.3 接觸角現(xiàn)象 265
11.3.1 表觀接觸角 265
11.3.2 接觸角滯后 266
11.3.3 動(dòng)態(tài)接觸角 267
11.3.4 數(shù)值模擬中的動(dòng)態(tài)接觸角 269
11.3.5 弛豫時(shí)間效應(yīng) 270
11.4 擴(kuò)散界面模型 270
11.5 液滴動(dòng)力學(xué)的格子玻爾茲曼模擬 272
11.5.1 方法的背景和優(yōu)點(diǎn) 272
11.5.2 多相流和潤(rùn)濕 275
11.5.3 捕獲接觸角滯后 277
11.5.4 粗糙表面 280
11.5.5 化學(xué)性質(zhì)不均勻表面 281
11.6 本章小結(jié) 282
致謝 283
參考文獻(xiàn) 283
第12章 可視化與測(cè)量 288
12.1 引言 288
12.2 墨滴和射流的基本成像 289
12.3 頻閃照明 291
12.4 全息技術(shù) 294
12.5 共聚焦顯微鏡 298
12.6 圖像分析 303
參考文獻(xiàn) 308
第13章 噴墨流體特征 311
13.1 引言 311
13.2 油墨性能對(duì)打印頭和噴射效果的影響 312
13.3 噴墨流體的流變學(xué)特性 312
13.3.1 基礎(chǔ)黏度 313
13.3.2 黏彈性 316
13.4 噴墨流體線性黏彈性的測(cè)量 318
13.5 噴墨流體拉伸性能的測(cè)量 321
13.6 噴墨流變學(xué)特性與打印頭性能的關(guān)系 325
13.7 本章小結(jié) 329
致謝 330
參考文獻(xiàn) 330
第14章 襯底表面表征 333
14.1 引言 333
14.2 確定表征需求的流程圖 334
14.2.1 預(yù)噴表面質(zhì)量 334
14.2.2 液滴撞擊行為 340
14.2.3 功能傳遞 343
14.2.4 最終功能化表面 345
14.2.5 長(zhǎng)期表現(xiàn) 346
14.3 表面表征技術(shù) 346
14.3.1 表面化學(xué)分析 347
14.3.2 表面機(jī)械測(cè)試 352
14.3.3 表面電學(xué)分析 354
14.3.4 光學(xué)分析 355
14.3.5 生物分析 357
14.4 本章小結(jié) 358
14.5 思考題 358
參考文獻(xiàn) 358
第15章 噴墨打印的應(yīng)用 361
15.1 引言 361
15.2 二維圖文打印 361
15.3 3D 打印 363
15.4 無(wú)機(jī)材料打印 366
15.4.1 金屬墨水 366
15.4.2 陶瓷墨水 367
15.4.3 量子點(diǎn) 368
15.5 有機(jī)材料打印 369
15.6 生物材料打印 372
15.6.1 用于分析和傳感的生物大分子 372
15.6.2 用于組織工程的生物大分子 373
參考文獻(xiàn) 375
第16章 噴墨技術(shù)的發(fā)展方向 381
16.1 引言 381
16.2 作為輸送裝置的噴墨打印頭 381
16.3 噴墨打印技術(shù)的局限性 382
16.4 當(dāng)前的主流技術(shù)和局限性 386
16.4.1 熱發(fā)泡式按需噴墨打印 386
16.4.2 壓電式按需噴墨打印 388
16.5 當(dāng)前其他技術(shù) 388
16.5.1 連續(xù)噴墨打印 389
16.5.2 靜電式按需噴墨打印 389
16.5.3 聲波噴墨技術(shù) 389
16.6 噴墨打印的新興科學(xué)與技術(shù) 391
16.6.1 Stream 噴墨技術(shù) 391
16.6.2 打印頭制造技術(shù) 392
16.6.3 彎張式噴墨打印裝置 394
16.6.4 Tonejet 技術(shù) 395
16.6.5 墨水再循環(huán) 395
16.6.6 間接噴墨打印 396
16.6.7 寬幅面印刷 397
16.6.8 故障檢測(cè) 397
16.7 打印頭制造的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 398
16.8 未來(lái)對(duì)噴墨打印的要求和方向 399
16.8.1 用于非圖文的打印頭定制 399
16.8.2 降低對(duì)墨水性質(zhì)的要求 399
16.8.3 更高的墨水黏度 400
16.8.4 更高的穩(wěn)定性和可靠性 400
16.8.5 對(duì)墨滴體積的要求 400
16.8.6 更低的成本 401
16.9 本章小結(jié) 401
參考文獻(xiàn) 402