Numerical model of a piezoelectric actuated inkjet printhead

With the rapid growth of the national economy as well as the rapid development of downstream industries, the global inkjet printer head market is valued at 2090 million US$ in 2017 and will reach 2680 million US$ by the end of 2025, growing at a compound annual growth rate (CAGR) of 3.2% during 2019-2025. This thesis work examine modeling and simulation of a piezoelectric actuated drop on demand (DoD) printhead's pressure chamber, whose design was provided by STMicroelectronics. Each printhead has hundreds or thousands of such chambers, therefore their use aim to highprecision products. An overall review of the inkjet technologies and applications is presented along a general characterization of the materials involved. The behavior of the vibrating system under operating conditions has been investigated. The problem has been approached through decoupling the global system into two main parts: the uid structure interaction, involving the piezo actuation of the membrane, and the free surface analysis involving the droplet formation. The whole work has been carried out through the commercial code COMSOL Multiphysics® 5.4. The model has been validated through experimental comparison, showing droplets formation in agreement with experimental data. A parametric analysis over di erent uid and operating conditions has been done through a 2D axisymmetric model and to conclude future developments has been proposed.

Con la rapida crescita dell'economia nazionale e il rapido sviluppo delle industrie derivate, il mercato globale delle testine di stampa a getto d'inchiostro e stato valutato a 2090 milioni di US $ nel 2017 e raggiunger a 2680 milioni di US $ entro la ne del 2025, crescendo ad un tasso annuo di crescita composto (CAGR) del 3,2 % nel periodo 2019-2025. Il presente lavoro di tesi riguarda la modellizzazione e la simulazione di una camera di pressione della testina di stampa drop on demand (DoD) azionata tramite un microtrasduttore piezoelettrico, il cui design e stato fornito dall'azienda STMicroelectronics. Ogni testina di stampa ha centinaia o migliaia di queste camere, quindi il loro uso mira a prodotti di alta precisione. Verr a presentata una rassegna generale delle tecnologie e delle applicazioni della stampa a getto d'inchiostro ad oggi in utilizzo, insieme a una caratterizzazione generale dei materiali coinvolti. E stato studiato il comportamento del sistema vibrante sotto le condizioni operative, ed e stato a rontato disaccoppiando la struttura in due parti principali: l'interazione uido-struttura, che comporta l'attivazione piezoelettrica della membrana, e l'analisi della super cie libera che coinvolge la formazione della goccia. L'intero lavoro e stato svolto mediante l'utilizzo del software commerciale COMSOL Multiphysics® 5.4. Il modello e stato validato attraverso un confronto sperimentale, mostrando la formazione di gocce in linea con i dati sperimentali. Verr a inoltre presentata un'analisi parametrica su diversi uidi e condizioni operative attraverso un modello assial-simmetrico 2D e in seguito si proporranno, in conclusione, alcuni possibili sviluppi futuri dello studio.