本公开涉及喷墨打印领域，具体涉及一种喷墨打印装置的设计方法及喷墨打印装置，喷墨打印装置的设计方法包括：获取喷墨打印装置中流体计算域的几何参数以及流体计算域中的独立变量数值的空间分布；根据独立变量建立耗散功目标函数并根据耗散功目标函数建立拓扑优化数学模型，以及根据几何参数获取拓扑优化几何模型并设置边界条件；根据拓扑优化数学模型和拓扑优化几何模型获取耗散功目标函数最小时流体计算域中设计变量数值的空间分布；根据流体计算域中设计变量数值的空间分布获取三维几何设计模型。通过本公开的技术方案，避免了经验设计几何尺寸对流道性能的影响，消除了设计的主观依赖性，降低了流体在喷墨打印装置中的流动阻力。的流动阻力。的流动阻力。
【技术实现步骤摘要】
一种喷墨打印装置的设计方法及喷墨打印装置
[0001]本公开涉及喷墨打印领域，尤其涉及一种喷墨打印装置的设计方法及喷墨打印装置。
技术介绍
[0002]随着微机电技术的发展与喷墨打印要求的提高，一个喷墨头内集成的喷孔数越来越多，所对应的微流道密度越来越高，从而导致从限流部到压力腔室的尺寸越来越小，流阻越来越高。供墨端流道高流阻将对喷墨过程产生一系列影响，例如压力腔室内墨水向喷孔流动方向流阻升高，会提高对压电薄膜所提供压力的要求；墨水由公共流道向压力腔流动的限流部流道流阻过高，将影响喷墨后压力腔墨水填充过程，引起喷孔处吸入空气影响喷墨质量。因此低流阻的供墨流道与压力腔室是保证喷墨头的正常工作的基础，也是提高其性能的重要途径。
[0003]压力腔室是压电喷墨头中的重要微流器件，受加工工艺限制，压力腔室空间上有一个方向的结构是一致，结构可简化为二维图形表示。常见的压力腔室有长方形压力腔室、圆形压力腔室和菱形压力腔室等，压力腔室的流道形式一般都是依靠经验来进行设计。然而该设计方式无法全面考虑其形状的合理性，如对于腔室内部的流动死域问题，以及对于流道复杂布局的流阻问题也无法给出高效、合理的外形结构。
技术实现思路
[0004]为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种喷墨打印装置的设计方法及喷墨打印装置，避免了经验设计几何尺寸对流道性能的影响，消除了设计的主观依赖性，降低了流体在喷墨打印装置中的流动阻力。
[0005]第一方面，本公开提供了一种喷墨打印装置的设计方法，包括：
[0006]获取所述喷墨打印装置中流体计算域的几何参数以及所述流体计算域中的独立变量；
[0007]根据所述独立变量建立耗散功目标函数并根据所述耗散功目标函数建立拓扑优化数学模型，以及根据所述几何参数获取拓扑优化几何模型并设置边界条件；根据所述拓扑优化数学模型和所述拓扑优化几何模型获取所述耗散功目标函数最小时所述流体计算域中设计变量数值空间分布；
[0008]根据所述流体计算域中设计变量数值空间分布获取所述三维几何设计模型。
[0009]可选地，所述流体计算域包括设计域和非设计域，所述设计域包括所述限流部入口和压力腔，所述非设计域包括限流部直道和压力腔出口。
[0010]可选地，所述耗散功目标函数为：
[0011][0012]其中，Φ表示流体流动的耗散功，γ为所述流体计算域中设计变量，，用于表征所
述设计域中固体材料分布的有无，η为所述流体的粘度，为哈密顿算子，u为所流体的流动速度，Ω为所述流体计算域，
[0013][0014]其中，α
min
为所述流体的反渗透率，α
max
为固体材料的反渗透率，q为α(γ)的调整参数。
[0015]可选地，所述拓扑优化数学模型为：
[0016]Findγ
[0017]MinΦ
[0018][0019][0020]u＝u
0 onΓ
in
[0021][0022][0023]0≤γ≤1
[0024]其中，ρ为所述流体的密度，p为所述流体的压力，u0为所述限流部入口的所流体的速度，Γ
in
为所述限流部入口的边界，Γ
out
为所述压力腔出口的边界，i为第i个设计域，V
i
为第i个设计域对应的所述流体的最大体积上限，I为[1,1,1]T
，n为所述压力腔出口边界单位法向量。
[0025]可选地，设置边界条件，包括：
[0026]根据所述几何参数获取所述流体计算域的边界；
[0027]在所述流体计算域入口边界施加入口流体流速分布边界条件；
[0028]在所述流体计算域出口边界施加出口边界条件；
[0029]在所述流体计算域入口和所述流体计算域出口之外的边界施加非滑移边界条件。
[0030]可选地，根据所述拓扑优化数学模型和所述拓扑优化几何模型获取所述耗散功目标函数最小时所述流体计算域中设计变量数值的空间分布，包括：
[0031]对所述拓扑优化几何模型进行网格剖分；
[0032]获取最大目标计算次数和收敛精度；
[0033]基于网格分割后的所述拓扑优化几何模型，选取优化算法并根据所述拓扑优化数学模型、所述最大目标计算次数和所述收敛精度获取所述耗散功目标函数最小时所述流体计算域中设计变量数值的空间分布。
[0034]可选地，在基于网格分割后的所述拓扑优化几何模型，选取优化算法并根据所述拓扑优化数学模型、所述最大目标计算次数和所述收敛精度获取所述耗散功目标函数最小时所述流体计算域中设计变量数值的空间分布过程中，还包括：
[0035]对所述流体计算域中设计变量施加灰度约束条件，所述灰度约束条件为：
[0036]∫
Ω
γ(1
‑
γ)dΩ/∫
Ω
1dΩ≤a
[0037]其中，γ为所述设计变量，Ω为所述流体计算域，a为远小于0.25的实数。
[0038]可选地，根据所述流体计算域的设计变量数值的空间分布获取所述三维几何设计
模型，包括：
[0039]对所述流体计算域中设计变量进行滤波处理，所述滤波处理满足如下计算公式：
[0040][0041]其中，γ为所述设计变量，b为大于0.2且小于0.8的实数；
[0042]根据滤波处理后的所述设计变量数值的空间分布获取所述三维几何设计模型。
[0043]可选地，根据滤波处理后的所述设计变量数值的空间分布获取所述三维几何设计模型，包括：
[0044]根据滤波处理后的所述设计变量数值的空间分布对表征无固体材料的所述设计变量数值空间分布的轮廓进行插值拟合以获取所述二维几何轮廓；
[0045]根据所述二维几何轮廓获取所述三维几何设计模型。
[0046]第二方面，本公开提供一种喷墨打印装置，利用如第一方面所述的喷墨打印装置的设计方法设计制成，所述喷墨打印装置包括：
[0047]供液池、压力腔和限流部，所述限流部包括限流部入口区域和限流部直道端，所述限流部入口区域与所述供液池的出口连接，所述限流部直道区域的出口与所述压力腔的入口连接；
[0048]引流结构和喷出结构，所述压力腔的出口与所述引流结构的入口连接，所述引流结构的出口与所述喷出结构连接；其中，所述压力腔的出口与所述引流结构的入口形状和尺寸相同，所述引流结构的出口直径大于所述喷出结构的直径。
[0049]本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0050]获取喷墨打印装置中流体计算域的几何参数以及流体计算域中的独立变量数值的空间分布；根据独立变量建立耗散功目标函数并根据耗散功目标函数建立拓扑优化数学模型，以及根据几何参数获取拓扑优化几何模型并设置边界条件；根据拓扑优化数学模型和拓扑优化几何模型获取耗散功目标函数最小时流体计算域中设计变量数值的空本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，包括：获取所述喷墨打印装置中流体计算域的几何参数以及所述流体计算域中的独立变量数值的空间分布；根据所述独立变量建立耗散功目标函数并根据所述耗散功目标函数建立拓扑优化数学模型，以及根据所述几何参数获取拓扑优化几何模型并设置边界条件；根据所述拓扑优化数学模型和所述拓扑优化几何模型获取所述耗散功目标函数最小时所述流体计算域中设计变量数值的空间分布；根据所述流体计算域中设计变量数值的空间分布获取所述三维几何设计模型。2.根据权利要求1所述的喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，所述流体计算域包括设计域和非设计域，所述设计域包括所述限流部入口和压力腔，所述非设计域包括限流部直道和压力腔出口。3.根据权利要求1所述的喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，所述耗散功目标函数为：其中，Φ表示流体流动的耗散功，γ为所述流体计算域中设计变量，用于表征所述设计域中固体材料分布的有无，η为所述流体的粘度，
▽
为哈密顿算子，u为所述流体的流动速度，Ω为所述流体计算域，其中，α
min
为所述流体的反渗透率，α
max
为固体材料的反渗透率，q为α(γ)的调整参数。4.根据权利要求3所述的喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，所述拓扑优化数学模型为：FindγMinΦMinΦu＝u
0 onΓ
inin
0≤γ≤1其中，ρ为所述流体的密度，p为所述流体的压力，u0为所述限流部入口的所流体的速度，Γ
in
为所述限流部入口的边界，Γ
out
为压力腔出口的边界，i为第i个设计域，V
i
为第i个设计域对应的所述流体的最大体积上限，I为[1,1,1]
T
，n为所述压力腔出口边界单位法向量。5.根据权利要求1所述的喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，设置边界条件包括：根据所述几何参数获取所述流体计算域的边界；在所述流体计算域入口边界施加入口流体流速分布边界条件；
在所述流体计算域出口边界施加出口边界条件；在所述流体计算域入口和所述流体计算域出口之外的边界施加非滑移边界条件。6.根据权利要求1所述的喷墨打印装置的设计方法，其特征在于，根据所述拓扑优化数...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭煜晨，李小磊，伍德民，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：
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