ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭКСТРУЗИИ В COMSOL Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 677.021.125.277.5

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭКСТРУЗИИ В COMSOL

© 2023 П. А. Белов1, К. А. Волочилов2, М. В. Кутепов3

1 кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики и нанотехнологий e-mail: beliy2010@rambler.ru 2 студент направления «Электроника и наноэлектроника»

Курский государственный университет

3 обучающийся детского технопарка "Кванториум"

Лицей-интернат №1

В статье рассматривается процесс распыления рабочего тела электрогидродинамической экструзии. В качестве рабочего тела выбраны чернила.

Ключевые слова: сопло, моделирование, электрогидродинамическая экструзия, распыление.

SIMULATION MODEL OF THE ATOMIZATION PROCESS

OF THE WORKING FLUID OF ELECTROHYDRODYNAMIC EXTRUSION IN COMSOL

© 2023 P. A. Belov 1, K. A. Volochilov2, M. V. Kutepov3

1 Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics and Nanotechnology e-mail: beliy2010@rambler.ru 2 Student of the direction "Electronics and nanoelectronics"

Kursk State University

3 Student of the children's technopark "Quantorium"

Boarding School No. 1

The article discusses the process of atomization of the working fluid of electrohydrodynamic extrusion. Ink is selected as the working medium.

Keywords: nozzle, modeling, electrohydrodynamic extrusion, spraying.

Одной из перспективных технологий создания электронных чипов микро-суперконденсаторов, RFID меток (радиочастотной идентификации) и других электронных компонентов является струйная печать. Она основана на применении полупроводниковых наночастиц, углеродных наноструктур (графен, углеродные нанотрубки), характеризующихся высокой проводимостью, стабильностью, низкой

температурой спекания, наночернил на основе металла (золота, серебра, платины и др.). По принципу работы главное отличие струйных принтеров от матричных - это безударный режим работы за счет того, что печатающая головка представляет собой набор тонких сопел, диаметры которых составляют десятые доли миллиметра, а не набор игл, как в случае матричных. В этой же головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла, как микрочастицы, переносятся на материал носителя. Поэтому разработка новых электропроводящих материалов, создание и совершенствование перспективных методов и технологий их применения, таких как струйная печать, использование струйных принтеров для печати, являются важной научной задачей, имеющей большое значение и позволяющей решать многие фундаментальные проблемы в различных областях электроники, а также в области защиты печатных машин.

Таблица 1

Параметры геометрии сопла

Имя Выражение (мм) Описание

Входное отверстие 0,1 Входной радиус сопла

Сопло Ь 0,375 Длина сопла

Сопло Я 0,025 Радиус сопла

Горло Ь 0,025 Длина горла

Горло Я 1 Радиус горла

Воздушный поток 0,1 Ширина воздушного канала

В работе приведена имитационная модель процесса распыления рабочего тела электрогидродинамической экструзии. На рисунке 1 представлен результат моделирования геометрии сопла. Из-за ее симметрии мы можем использовать осесимметричную 2Э-модель. Первоначально пространство между входным отверстием и соплом заполнено чернилами. Дополнительные чернила впрыскиваются через входное отверстие в течение периода 10 мкс и, следовательно, заставляют чернила вытекать из сопла. Когда впрыск прекращается, капля чернил отрывается и продолжает свое движение, пока не достигнет цели.

1.б~ :' ] -I IJ1

U1 1л-

I-

о.е"

О.ЕГ 0,!Г 0.<Г 0.Э" £>.2~

О"

Рис. 1. Геометрия сопла Параметры чернил указаны в таблице 2.

Таблица 2

Содержимое материала

Переменная Выражение Ед. изм.

Плотность гЪо 1е3 [кг/м3]

Динамическая вязкость ти 1е-2 [Па*8]

Определяем переменные для входной скорости и массы капли. Переменные указаны в таблице 3.

Таблица 3

Переменные для входной скорости и массы капли

Название Единицы Выражение Описание

V т 0.56[т/8]*геаЩ1/8]) м/с Скорость на входе

m_d тШр 1(1е3 [к^/тЛ3] *рЫ18*(ъ> 0.7[тт])) кг Масса капли

Начальные условия

На рисунке 2 показано начальное распределение (1 Скорость изначально равна 0.

0) чернил и воздуха.

Рис. 2. Начальное распределение чернил. Черный соответствует чернилам, а белый - воздуху

Граничные условия:

1. Входное отверстие Средняя скорость на входе в направлении ъ увеличивается с 0 до 0,56 м/с в течение первых 2 мкс. Затем скорость поддерживается в течение 10 мкс и, наконец, уменьшается до 0 еще на 2 мкс. Зависящая от времени средняя скорость в направлении ъ затем может быть определена как

раР(Ь) = гес£(£) х 0.5 ,

(1)

где 1 задается в секундах, а гес1;(1;) представляет собой плавную прямоугольную импульсную функцию с точками перехода в 1 мкс и 13 мкс с периодом перехода 2 мкс. (см. рис. 3) Профилированная скорость определяется полностью разработанным параметром расхода на входе.

- --1= 1 I-—1 Г=, V -1 1

[

j

и

J -1

ЛЯ -5 0 5 10 15 70 Х10-

Рис. 3. Функция плавного шага

2. Выход

Устанавливая постоянное давление, на выходе мы получаем одно и то же поле скоростей независимо от того, установлено ли давление на 1 атм или на 0.

3. Стены

На всех других границах, кроме целевой, устанавливаем условия отсутствия скольжения. Используем условие смоченной стенки на мишени с углом соприкосновения п/2 и длиной скольжения 10 мкм.

На рисунке 4 показаны поверхность чернил и поле скоростей в разное время.

Рис. 4. Положение границы раздела воздух/чернила и поле скоростей в различные моменты времени

На рисунке 5 показана масса чернил, которая находится дальше, чем на 0,7 мм, от входного отверстия. На рисунке показано, что масса выброшенной капли составляет приблизительно 2-10"10 кг

Kahili; Ejií.ipli'L гм-,', itfjl

... - ■

/

* 1 1 1. 1

Tinteis]

Рис. 5. Количество чернил чуть выше сопла

Здесь рассматривается только одна модель струйной печати, но ее можно модифицировать несколькими способами. Например, изменить такие свойства, как геометрия или скорость на входе, и изучить влияние на размер и скорость выбрасываемых капель. Также можно проверить, как бы работала струйная печать, если бы чернила были заменены другой жидкостью. Моделирование поможет определить идеальные размеры сопла печатающей головки для высокоточного нанесения материала. Модель демонстрирует процесс распыления рабочего тела электрогидродинамической экструзии. В качестве рабочего тела выбраны чернила.

В данной модели можно проанализировать различные виды сопла, чтобы определить, в каком из них достигается оптимальный размер капель. Модель также позволяет учитывать такие параметры, как угол смачивания, поверхностное натяжение, вязкость и плотность жидкости.

Библиографический список

1. Canon [Электронный ресурс]. - URL: http://www.canon.ru (дата обращения: 02.01.2023).

2. Epson [Электронный ресурс]. - URL: http://support.epson.ru/product (дата обращения: 02.01.2023).

3. Белов, П. А. Перспективы применения устройства электрогидродинамического распыления для нанесения электропроводящих покрытий методом струйной печати / П. А. Белов. - 2018. № 2 (18). - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-primeneniya-ustroystva-elektrogidrodinamicheskogo-raspyleniya-dlya-naneseniya-elektroprovodyaschih-pokrvtiy-metodom/viewer (дата обращения: 02.01.2023).

4. Боброва, Ю. С. Методы нанесения толстых слоев жидких фотополимеров высокой вязкости / Ю. С. Боброва, М. М. Андроник // Нано- и микросистемная техника. - 2017. - Том 19. - № 4. - С. 195-206.

5. Бриллиант, М. Д. Струйная печать / М. Д. Бриллиант, И. М. Елимелех // Изв.вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2008. - №3. - С. 33-52.

6. Ванников, А. В. Основы цифровой печати: учебное пособие / А. В. Ванников, Р. М. Уварова, А. В. Чуркин. - Москва: Издательство МГУП, 2006. - С. 306-406.

7. Елагин, И. А. Компьютерное моделирование ЭГД-течений: учебно-методическое пособие / И.А. Елагин, Ю.К. Стишков. - Санкт-Петербург: Б.и., 2007. - 111 с.

8. Ультразвуковое распыление жидкостей [Электронный ресурс]. Лаборатория акустических процессов и аппаратов БТИ АлтГТУ Центр ультразвуковых технологий (дата обращения: 28.12.2022).

9. Фадейкина, И. Н. Некоторые инновационные методы и средства, применяемые в современной печати / И. Н. Фадейкина // Инновационные методы и средства оценки качества образования»: материалы 6-й научно-методической конференции. - Москва: Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова, 2008. - С. 207-211.