数码喷墨印花机的原理及总体设计

武汉科技学院
毕业设计 [ 论文 ] 题目：数码喷墨印花机的原理及总体设计
院系: 机电工程系
专业: 机械设计制造及其自动化004班
姓名:
指导老师:
2004年 6 月 10 日
武汉科技学院2004届毕业设计(论文)
目录
武汉科技学院毕业设计（论文）任务书 (3)
毕业设计（论文）开题报告 (7)
摘要 (10)
ABSTRACT (11)
1 绪论 (12)
1.1 数码喷墨印花的起源 (12)
1.2 数码喷墨印花技术简介 (12)
1.3 数码喷墨印花技术的特点 (13)
1.4 数码喷墨印花技术的应用领域 (13)
2数码喷墨印花机原理设计 (15)
2.1 连续喷墨印花 (15)
2.2 按需喷墨（DOD）印花 (18)
2.2.1 热振动按需喷墨印花系统 (18)
2.2.2 压电按需喷墨印花系统 (18)
2.2.3 采用电磁阀按需喷墨印花系统 (19)
3. 数码喷墨印花机总体设计 (22)
3.1 组成 (22)
3.1.1 印花部分 (22)
3.1.2 成品布自动控制收布部分 (22)
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3.2 各单元的组成及功能 (22)
3.3 结构设计及计算 (23)
3.3.1 总体传动方案设计 (23)
3.3.2 各部分传动方案设计 (24)
3.3.3 卷取部分结构设计 (25)
3.3.4 成品布卷取部分结构设计 (28)
4. 数码喷墨印花机小车单元设计 (33)
4.1 小车单元组成 (33)
4.2 小车单元的功能 (33)
4.3 小车单元的实体图 (34)
5. 数码喷墨印花机控制部分设计 (34)
6. 设计总结 (36)
参考文献 (37)
附录 (39)
英文资料 (41)
中文翻译 (45)
致谢 (48)
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武汉科技学院
毕业设计（论文）任务书
题目：数码喷墨印花机的原理及总体设计
完成期限：2003年12月1日至2004年6月13日
院系机电工程系指导教师梅顺齐
专业机设004班职称教授
学生满涛院（系）主任梅顺齐接受任务日期2003.12.1 批准日期2003.12.1
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一、原始依据（资料）
本课题是湖北省省教育厅科研项目之一，基于喷墨打印机的结构和工作原理进行喷墨印花机工作原理和总体结构的设计。

近几年，随着电子分色、配色等CAD技术在纺织染整行业的应用，纺织品数码印花技术在国际上的应用也越来越广泛。

然而纺织品数码喷墨印花技术的研究还属于初级阶段，目前也仅有小批量专用产品投入市场。

喷墨印花设备对其油墨也有特定的要求，油墨反过来对印花设备也有特定的要求，再说，较低的喷墨印花速度也是目前所面临的一个难题。

针对纺织品喷墨印花技术的这些问题，喷墨印花技术的研究是及其重要和十分必要的。

二、设计（论文）内容和要求
1.设计内容
1.1 数码喷墨印花机的原理设计；
1.2 数码喷墨印花机的总体设计；
1.3 数码喷墨印花机传动部分的设计；
1.4 数码喷墨印花机控制部分的设计；
1.5 数码喷墨印花机小车单元的设计。

2. 设计任务要求
2.1 设计数码喷墨印花机的工作原理
2.2 设计数码喷墨印花机的传递系统
2.3 设计喷墨印花机的控制系统
2.4 设计数码印花机小车单元零件图、装配图
2.5 设计数码印花机总装示意图
2.6 中英文摘要
2.7 编写设计说明书或论文
2.8 翻译英文资料
三、主要参考资料
1. 周旭东,李艳梅.数码印花技术应用[J].上海纺织科技,2003,31(3)
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2. 孙恒,陈作模主编.机械原理[M].北京：高等教育出版社,2001
3. 濮良贵,纪名刚主编.机械设计[M]. 北京：高等教育出版社,2001
4. 成大先主编.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002
5. 曲志深.喷墨打印机的原理及维修[M].北京：清华大学出版社，1995
6. 邓星钟.机电传动控制[M].华中科技大学出版社,2000.6
7. 杨栋墚.织物数码喷墨印花技术的动向[J].全国染整新技术应用推广协作
网.印染,2003增刊
四、同组设计者
江剑秋
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毕业设计（论文）开题报告
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摘要
随着科学技术的飞速发展，纺织品数码喷墨印花技术已发展为纺织行业的高新技术，可以达到传统印花机不能比拟的特殊效果，完全改变了传统的印花理念，
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开拓了印花的新时代，在纺织界产生了深远的影响。

相比于筛网印花和滚筒印花等传统的印花方式，数码喷墨印花有其独特的优点——省力、省材料、少污染，然而数码喷墨印花是一种新兴产业，所以仍然存在一些缺陷，如印花速度较低、成本较高、工作环境要求较高等。

所以，本次设计将针对于以上特点，重点就喷墨印花机的工作原理进行了分析，另外对喷墨印花机的总体结构、传动部分、控制部分以及小车部分进行了一些设计。

关键词：数码喷墨印花；小车；印花机；传动系统；控制系统
ABSTRACT
Along with the rapid development of science and technology, the textile digital dye printing technology has become a high-tech processing craft. It has achieved
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special effect that the traditional dye printing machine cannot do. Admittedly, the digital dye printing technology has completely changed the traditional dye printing ideas, has opened up a new period of printing, and has exerted a profound influence in the field of spinning and weaving. Compared with these traditional printing ways, such as screen printing, cylinder dye printing and so on, the digital dye printing has its own unique advantages—saving power and materials, letter pollution. However, as a developing industry, the digital dye printing still has some disadvantages: low printing speed, high cost, high request for working conditions. etc. Therefore, this project will aim at the characteristic above, mainly analysis to the principle, and has carried on some designs to the overall structure, the part of transmission, the part of control and the printing car.
Keywords: digital dye printing；printing car；printer；transmission system；control system
1 绪论[1][5〜8][11][18]
1.1 数码喷墨印花的起源
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利用喷嘴进行喷射墨水而完成织物数码印花的设想，是在20世纪60-70年代计算机技术取得巨大进步的条件下，有美国MilliKen公司开发的Millitron系统和奥地利Zimmer公司开发的Chromojet系统开始。

当时由计算机控制进行喷墨印花，由于分辨率不高（9-18dpi），只能用于图像精度要求不高的地毯之类织物。

第一台用于地毯的喷墨印花机曾在1987年国际纺织机械展览会（ITMA）上首次展出，这是数码喷墨印花机的第一代产品。

尔后，用于纸张和薄膜的数码喷墨印花技术有了很大的发展和提高，由此开发的热泡式喷嘴和压电式喷嘴，使数码喷墨印花的速度和图像轮廓有明显的改善。

进入20世纪90年代，日本的Canon、Seiren和荷兰的Stork等公司将用于纸张的数码喷墨印花技术成功地移植到织物上应用，进行了卓有成效的研究开发。

在1991年汉诺威ITMA展览会上，荷兰Stork等公司展出了用活性染料墨水，分辨率为360-720dpi，喷墨印花生产能力为4.6㎡/h的宽幅数码喷墨印花样机。

这是数码喷墨印花机的第二代产品，它们在欧洲已正式使用，在日本Seiren 公司也投入规模化生产数码印花织物。

然而随着服装流行趋势的变化，人们对印花布的生产要求越来越高，花型变化越来越快，定货批量越来越少，生产周期越来越短。

如果只是用传统的印花方式——滚筒印花和平网印花等——来适应织物的快速和多品种小批量的生产是不可能的。

1997年国际上提出了数码印花的概念，它无须制版，直接把燃料喷射到布上来形成图案，可按客户指定的图案立刻完成印花加工。

而且数码印花印制的图案可以无周期的重复使用，能加工出面貌全新的产品。

业内人士认为数码印花技术是纺织印花史上的一次革命。

1.2 数码喷墨印花技术简介
所谓纺织品喷墨印花，是将含有色素的墨水在压缩空气的驱动下，经由喷墨印花机的喷嘴喷射到被印基材上，由计算机按设计要求控制形成花纹图案。

根据墨水系统的性能，经适当后处理（如焙烘加工），使纺织品具有一定的牢固和鲜艳度。

实际操作中，先用扫描仪器或数码相机数字化输入图稿，然后应用图形软件或专业的印花分色与设计软件处理图稿，然后再通过喷印控制软件将数字化信息传输到数码喷墨印花机，喷射出图案。

印花时完全不要接触织物，不会造成任何压糊、压坏病、瑕疵；印花时也无对花和套色问题；打样和大生产可同机进行而不会产生色差；对于小批量多品种的转换速度极快，可以实现快交货。

数码喷墨印花机基本上都是采用CMYK（即青、品红、黄和黑）四色+ 四专色就可印出几十万种颜色，而理论上可以印出1670万种颜色，我预想，随着科技的不断进度，实际可以印出的颜色数将会越来越接近这个数字。

所以基本上
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可以满足各种印花图案的要求；精度分辨率可以一般可以达到360dpi、720dpi，最高可以达到1440dpi；速度一般为10㎡/h，最高则达185㎡/h；喷射宽度在1600mm〜1800mm〜2200mm〜2400mm，最大可以达到3200mm。

操作简单，由电脑控制，可真空，很清晰，喷嘴可单独更换，喷嘴与织物表面距离可调，故可在厚织物上印花，它可以连续喷射数小时而不需要人员监管。

1.3 数码喷墨印花技术的应用领域
数码印花技术不仅能够适应纺织面料、服装制造业的需要，还可以应用在更广阔的领域。

例如：将照片、绘画等艺术作品印制在纺织品上，成为纺织艺术品。

可以在纺织品上印制广告、宣传画等，由于纺织品耐水，比纸坚牢，在室外可以长期使用。

数码印花可以应用在各种纤维的纺织品上，可以非常逼真地将设计的任何图形印制在纺织品上。

尽管目前数码印花存在着一些不足与一定的局限性，但是随着科学技术的进步，这种数码印花技术会更加完善与简单快捷，更加广泛地得到应用。

数码喷墨印花技术近几年在国际上应用越来越广泛，这是计算机技术与印染行业结合的产物，不仅可以达到传统印花的效果，而且可以作到传统印花机不能比拟的特殊效果，完全改变了传统的印花理念，开拓了印花的新的时代。

数码印花技术还对服装制作业、纺织品与服装的销售理念与经营方法都带来了巨大的影响和变化。

这是与科学的进步、人类生活与工作模式的改变紧密相连的。

1.4 数码喷墨印花技术的特点
数码喷墨印花将直接促进“绿色纺织品”和“绿色制造”的发展。

由于数码喷墨印花是将染液直接装在专用盒中按需喷射在织物上，既不浪费，也无废水污染，杜绝了调浆时印花机冲洗而排放的染液，达到印花过程无污染。

也省去了胶片、丝网、银筒等材料消耗。

既减轻了企业负担，又实现了环保的要求。

数码喷墨印花技术与滚筒印花和平网印花等传统印花技术的比较见表1-1。

从表1-1的分析可以看出数码喷墨印花的特点是传统印花所不具备的，其主要优点有：
⑴设备灵活。

它完全摆脱了传统印花技术中的比较繁杂的生产过程，如筛网、纹版、花型、设计、调浆、染料选择、配色等项工作。

⑵不受图案中颜色套数限制，可印出高质量的色调效果。

⑶换批效率高，只要将新图案和色位的数字信息输入机器即可完成。

表1-1 数码喷墨印花技术与传统印花技术的比较
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⑷印花过程中不产生任何下脚废料（如剩余色浆、污水等）、无污染环境问题（热转移印花时还存在转移纸的利用和处理问题）。

⑸在印花时无噪音，而且可在任何表面印花，无须考虑织物多孔结构等特征。

⑹只需使用恒定的基本油墨（品红、黄、青、黑）就可以得到所需的多种颜色。

⑺花型图案经过精确控制后，操作过程容易，效率高，可以充分利用织物面积，不浪费坯布。

由于数码喷墨印花技术的这些特点，在设备方面，全世界喷墨印花几的数量在5年内增加了约16倍(见表1-2)。

表1-2：全世界喷墨印花机的数量5年内增加了约16倍
当然，喷墨印花的不足之处也十分明显，主要体现在：
⑴速度比滚筒印花低很多，成本比传统滚筒印花高。

一般情况下，传统印花能以每分钟几米至几十米的速度印花，但是喷墨印花却是1米需要几分钟。

⑵目前所知最大印花幅宽为3200mm。

⑶印花前织物需经过活性或酸性染料预处理。

⑷印花机的设计要求高，成本高，喷嘴寿命问题难以解决。

⑸对墨水的要求高，墨水中添加的助济繁多，研制困难，且墨水价格昂贵，适应性有限。

印花速度底和生产成本高是制约喷墨印花发展的两个最主要的因素。

目前所知的喷墨印花速度最高的是数码印花系统公司（DPS）生产的喷墨印花机，速度最高为185㎡/h，大部分公司生产的压喷喷墨印花机速度普遍小于30㎡/h，若
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要印制高分辨率织物，则速度更底。

喷墨印花技术成本高的一个主要因素是由于墨水价格昂贵，某些墨水价格高达400美元/L。

据有关资料报道，喷墨印花织物每生产1m织物的加工成本估算为：印墨1.30马克，设备折旧0.70马克，能源及保养0.94马克，人工费1.70马克，总计为4.64马克，印墨约占成本的28%。

因此，在保证印花织物质量的前提下，如何提高喷墨印花速度和如何降低喷墨印花成本为未来喷墨印花技术的主要发展方向。

本设计就针对这些不足，将对喷墨印花机的工作原理、总体结构、传动控制系统及小车单元做出一些设计。

2 喷墨印花机的原理设计[5][10][11][12]
本课题所设计的内容为计算机控制喷墨印花机的原理，是基于喷墨打印机的原理设计而成。

数码喷墨印花是将图像通过数字化技术处理之后输入计算机，经电脑印花分色系统（CAD）编辑，再由印染专用软件(RIP；Rester Image Processor的缩写)控制喷墨印花系统，将专用的墨水(如活性、分散和酸性染料，以及颜料)直接喷射到各种织物上，从而形成原设计要求的印花织物。

数码喷墨印花技术的工作原理是对墨水施加外力，使其通过喷嘴喷射到织物上形成一个个色点。

数码喷墨印花是数字化图像的喷射技术，由数字技术控制喷嘴的喷与不喷，喷何种颜色的墨水，以及在XY方向的移动，保证在织物表面上形成所要求的图像和颜色。

根据墨水喷射技术的不同，目前应用于纺织品喷墨印花的技术主要有两种类型，既连续喷墨CIJ（Continuous Ink Jet）和按需喷墨DOD（Drop on Demand）。

2.1 连续喷墨印花
连续喷墨印花，油墨是在高压下强制通过一个小喷嘴，直径分布在10-100um 的范围内。

出来的油墨液流分成细小的液滴。

在非激发状态下，由于液体流的表面张力，喷射的液流以不均一的速度自发地形成液滴。

然而，在通常情况下，这种液滴是由电压转换器在高频下激发储存器而被强制形成，这样导致了有规则的受控方式形成细小液滴。

液滴产生后，需要有选择地加以控制，以便形成图像。

液滴的电致偏移是最常采用的技术。

在喷射附近放置带电的电极，使液滴带上可变的电荷。

当带电液滴通过一对施加有高电压的电极板（即偏移板）时，在电场的作用下，带电液滴就发生偏移。

偏移板的电压可以是高度恒定的（Hertz系统），也可以设计成可变电压（Sweet系统）。

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根据印花机的设计，这种连续喷墨印花被设计成按两种方法印花，在第一种方法中，带电的液滴以预定的方式偏移到被印物（基质物）上，液滴偏移的距离与它们带电量成正比，而未带电荷的液滴则收集在一个捕集器中，可重新循环使用。

这种方法称为屏面扫描（Raster-Scan）法，也称为多位偏移法，例如每个喷嘴可控制多大30个以上不同的点纹位置印花。

这种系统属多水平电荷系统，液滴所带电荷水平是不同的，当它们通过带有固定电势差的电极间时产生多位偏移；这种方法中的另一种，液滴也是带电的，但带地那水平单一，它们的偏移程度则是通过改变电极板间电势差来达到的。

第二种方法，印制的液滴是不带电荷的，利用多液滴调节两种电荷，带电液滴偏移到捕集器中，它也可重新循环使用，这种方法称为双位或二位喷射法（Binary Jet），每个喷嘴仅能控制一个点纹位置喷射印花。

这两种带电液滴调节系统的调节方法和液滴性能见表2-1。

表2-1 带电液滴调节方式和印制液滴带电荷性
应该认为，每种系统都是很复杂，因为导入液滴的电荷不仅取决于施加的电势差大小，也取决于油墨的特性，以及液滴本身形成的机理。

此外液滴的飞行情况除了受电荷和带电偏移板影响外，还要受空气动力学和带电液滴间电荷斥力的影响。

收集在捕集器中的油墨可再利用。

液滴的直径约为喷嘴直径的1.9倍。

这是由喷嘴断开产生的主要液滴的直径。

在某些情况下，也可能产生较小的：卫星“液滴，但它们马上会与其前面或后面的主要液滴合并。

上述两种印花喷射系统的工作原理分别见图2-1及图2-2。

图示的原理是简化了的，图中只表示产生了均匀一致的液滴，没有表示伴生的“卫星”小液滴，实际上当液流从喷射小孔处流出形成颈缩点时，会形成一个较大的和一个非常小的液滴，这就会限制印花的分辨率。

另一个问题是邻近的带电液滴在空气动力学和静电方面都会引起和另一个正在飞行的液滴发生相互作用，影响其飞行速度和途径，所以若要提高印花分辨率，设计印花系统时都应设法控制这样作用。

最简单的连续喷墨印花机具有一个喷射扫描头（喷嘴），工作时，它缓慢的沿着需印花的物体表面横向扫描，如果是纸张，它往往是附在转筒上。

类似地，彩色印花则可有四重喷嘴扫描喷射CMYK四种原色油墨。

使用多喷嘴排列喷射可
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以提高印花速度。

实际上二位法连续喷墨印花喷射的油墨液滴也可以是一串液滴（1〜31个液
图2-1 多位偏移连续喷墨印花系统的原理图
滴），由于液滴串喷射的压力很大（3.92×106 〜4.9 ×106Pa），液滴的飞行速度很高（30m/min），液滴串在空气中运行落到基质物上之时，后面的液滴急接前面的液滴印在基质物表面（基质物的运行速度为3m/min），实际上出现的知识一个液滴点纹。

利用这种特性，有可能调节位于基质物表面像素矩阵内的油墨数量。

当这个原理用于四原色印花时，可以获得非常好的印花效果，目前这种印花机已用语纸张印花，外观和照相相近。

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图2-2 二位法连续喷墨印花系统的原理图
2.2 按需喷墨（DOD）印花
此种喷墨印花技如同它的名称所述的那样，只有在需要的时才喷射油墨液滴到基质物上。

油墨是不带电荷的。

DOD印花通过一定的方式对油墨施加突然的机械、静电、热振动等作用使油墨产生液滴，因此可分为下述各种系统：
⑴采用热振动，例如气泡喷射产生液滴的系统；
⑵采用静电吸引产生液滴的系统；
⑶采用压电变换产生液滴的系统；
⑷采用电磁阀快速地开和关，使油墨液体成短脉冲发射液滴的系统。

和连续喷墨印花不同的地方是，按需喷墨印花只能达到每一像素一滴液滴，即每个像素只能有一滴油墨，或是无油墨。

如前所述那样，它的半色调是通过采用点子的矩阵以形成“超级像素”而得到的。

下面对几种产生液滴的系统分别作简要介绍。

2.2.1 热振动按需喷墨印花系统
这个系统称为激励按需喷墨印花系统，其中气泡喷射按需喷墨是最有代表性的，它的工作原理如图2-3所示。

由图2-3可看到，随着油墨流经沟槽中，靠近喷射出口处，有一个微型2的加热元件，当是电脉冲时，在很短的时间内（约5us）可升温达400℃左右，这样就引起油墨的部分蒸发和从膨胀了的泡沫中喷出振动液，以很高的速度（(10〜15m/min)从喷射孔中喷射一滴油墨，这个过程大致可分为四个阶段。

微小的泡沫小时后，喷嘴又准备再次发射。

图2-3 气泡喷射按需喷墨印花的原理图
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2.2.2 压电按需喷墨印花系统
压电按需喷墨印花系统的工作原理见图2-4所示。

压电变换器有多种形式，但它们的工作原理是：当可变的电压施加于横向时，它们的压力随施加的电压成正比例地增大或变小。

因此通过压电变换器把机械脉冲直接加于靠近喷嘴的油墨，不断喷射出油墨液滴。

图2-4 压电按需喷墨印花的原理图
如前所示，利用静电引力也可达到按需喷墨，在喷嘴尖端和印花表面后或喷嘴前的电极之间施加一个较高的电压，吸引液滴和喷射油墨出来。

2.2.3 采用电磁阀按需喷墨印花系统
在过去的30多年间，按需液滴印花机是以电动机械为基础的。

典型的是各种螺纹管阀，主要用于地毯印花。

此装置中的染料液体由电磁阀控制。

阀门作往复运动，染液直接喷在基质物表面（或通过一个轧辊轧压以产生新颖的花样）。

但是，这种印花无法产生特定的、轮廓清晰的几何图案。

典型的螺纹管阀的基本单元见图2-5。

当电压施加于线圈上，电流增大至一定水平。

克服了内部弹簧与染液静压结合的向下的压力，这时阀门张开，液滴向外喷射。

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图3-5 典型的螺纹管阀的基本单元
这种装置存在不少问题，后来美国地毯工业采用了一种所谓非差异（not dissimilar）设计，也称为阴影印花。

包括印花和采用特殊染液施加器的溢流染色两种功能，他们也不能生产轮廓清晰的集合图案。

以后有了一些改进，使互相密合的染液射流通过电磁装置加以选择性地偏移，当基质在下面通过时，如果偏移装置移开片刻，图案就印在基质物上了。

之后又使用了空气喷嘴作为射流偏移系统，花纹轮廓清晰度可打10-20dpi。

不过此种印花设备换色时间长，并有大量的染液需要冲洗掉，不能充分利用。

在70年代后期，Zimmer公司引入了电子控制无筛网喷射印花机，也是按需液滴系统。

以双螺纹装置驱动大型针阀为基础。

此机特别适用于组合地毯印花。

所有上述机器由单独的电磁阀组成，需要由内部连接管道馈入染液和输出染液。

一台机器内可能有数百或数千只阀门用于每一印花头，结构过于复杂，应用时遇到许多问题。

用于地毯和纺织品印花的染液（或色浆）的粘度和纸张不一样，纸张喷墨印花使用的油墨的粘度非常低，通常不高于5mPa•s（5cP）。

而印制地毯或纺织品，在烘干或气蒸时，为了保持高的清晰度，需要有足够高的粘度（300〜100mPa•s）因此喷墨系统和纸张应有不同。

实验发现，喷射液滴的大小与粘度，喷嘴大小和工作压力的关系不是很大（表2-2）。

因此在基质物上改变给液量的主要方法是控制喷射时间，这种关系如图2-6所示。

表2-2 喷嘴直径对液滴体积和流动性的影响(喷射时间：1ms)
液体特性喷嘴直径
/μm 喷射液滴特性
粘度/ mPa•s压力/104Pa 直径/mm流动性/m•s-1 300 10.35 300 0.87 2.9。