CC BY
15
УДК 655.33:621.382
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДОЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КРАСОЧНОГО АППАРАТА ТРАФАРЕТНОЙ МАШИНЫ
METHOD OF CALCULATING THE DOSING DEVICE OF THE INK MACHINE OF THE STENCIL MACHINE
С. Н. Литунов, Х. А. Хилаль, И. А. Сысуев
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
S. N. Litunov, H. A. Hilal, I. A. Sysuev
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Одним из путей повышения точности элементов печатной электроники, изготовленной с применением трафаретной печати, является использование валковых ракелей с упругой ячеистой покрышкой. Количество пасты в ячейках регулируется дозирующим ракелем и зависит от гидродинамического давления в пасте. В работе приведена методика определения толщины слоя пасты, вязкостью 400 Па-с, на оттиске. Эксперименты показали, что давление в слое пасты, находящейся перед движущимся валковым ракелем, составляет 30000-130000 Па. Для предварительного зазора между дозирующим и валковым ракелем 0-0.3 мм толщина слоя пасты на оттиске составляет 8-12.9 мкм.
Ключевые слова: трафаретная печать, печатная электроника, валковый ракель.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-175-181
I. Введение
Трафаретная печать все шире используется в производстве и исследованиях, направленных на совершенствование элементной базы в радиоэлектронике [1-4]. При этом непрерывно растут требования к точности изображения, полученного с помощью трафаретной печати. Однако искажения воспроизводимого изображения заложены в самом способе трафаретной печати. Это обусловлено наличием технологического зазора и воздействием ракеля на печатную форму. Для повышения точности трафаретной печати необходимо внести изменения в конструкцию печатного аппарата. Одним из путей развития печатного оборудования является использование печатного аппарата с ракелем в виде гладкого валика. Попытки использования такого ракеля и исследования его технологических возможностей известны [5-8]. В этих работах определяются диапазон применимости валкового ракеля, толщина нанесенного слоя краски, величина растискивания полутоновых изображений в зависимости от плотности сетчатой основы печатной формы, давления в полосе печатного контакта, скорости печати.
Среди преимуществ гладкого валкового ракеля можно отметить минимальную деформацию сетчатой основы в процессе печати. К недостаткам можно отнести ограничение по плотности сетчатой основы, которая должна быть не менее 150 нит/см, а также большую вероятность растискивания, что недопустимо при изготовлении высокоточной продукции.
В качестве развития применения валковых ракелей предложено использовать валковый ракель с упругой ячеистой покрышкой [9]. В работе [10] рассмотрен процесс перехода пасты на поверхность заготовки LTCC-микросхем при использовании валика с упругой ячеистой поверхностью. Количество краски на оттиске напрямую зависит от ее количества в ячейках упругой покрышки. Дозирование краски происходит специальным дозирующим ракелем, представляющим собой плоскую пластину, которая прижимается к поверхности упругой покрышки (рис. 1).
Давление, которое оказывает дозирующий ракель на упругую покрышку, зависит от усилия прижима, ее упругости, скорости вращения валкового ракеля, вязкости краски. В работе приводится методика определения количества пасты на оттиске, основанная на вычислительных и натурных экспериментах по определению количества пасты в ячейках валкового ракеля в зависимости от указанных параметров.
Рис. 1. Схематичное изображение печатного аппарата с валковым ракелем
II. Постановка задачи
Объектом исследования является количество краски в ячейках упругой покрышки в зависимости от различных факторов, среди которых можно отметить следующие: упругие свойства материала покрышки и ракеля, вязкость пасты с полностью разрушенной структурой, величина начального зазора между дозирующим ракелем и упругой покрышкой, скорость вращения валкового ракеля. При вращении последнего упругая покрышка деформируется под действием гидродинамического давления. Таким образом, задачей исследования является разработка методики определения количества краски в ячейках упругой покрышки. Для этого необходимо решить следующие задачи: определить величину гидродинамического давления в пасте расчетным и экспериментальным методами при различных параметрах; определить деформацию упругой покрышки под действием гидродинамического давления.
III. Методика эксперимента
Дозирующий ракель выполнен из стали, а упругая покрышка - из фотополимера. При этом модуль упругости стали на 5...6 порядков больше аналогичного показателя упругой покрышки. Поэтому деформацией ракеля можно пренебречь. Печатание осуществляют пастой с полностью разрушенной структурой, поэтому вязкость принимаем постоянной и равной 400 Пас, что соответствует вязкости пасты для проводников микросхем, изготавливаемых по LTCC-технологии. Формализуя задачу, введем следующие допущения:
- давление, возникающее в слое пасты, позволяет считать пасту несжимаемой жидкостью;
- течение пасты является стационарным и рассматривается в плоскости, перпендикулярной оси валкового ракеля.
Для расчета гидродинамического давления использовали специально разработанную программу, в которой использованы координаты «вихрь-функция тока». На рис. 2 приведен пример расчета в виде поля скоростей, а на рис. 3 - распределение давления в пасте при частоте вращения 0.2 об/с валкового ракеля диаметром 42 мм, что соответствует линейной скорости примерно 2.5 см/с.
Рис. 2. Поле скоростей при течении пасты. Пунктиром показан сегмент валкового ракеля
В качестве упругой покрышки использовали фотополимерный материал NFS фирмы Toyobo (Япония), толщиной 2.85 мм, применяемый для изготовления флексографских печатных форм. Ячейки имеют гексагональную форму в гексагональной упаковке (рис. 4). Линиатура ячеек составляет 20 лин/см, глубина ячеек 0.156 мм. Ячейки получены фотомеханическим способом, принятым при изготовлении печатных форм флексо графской печати. Для экспериментального определения давления в пасте использовали лабораторный макет ракельного устройства (рис. 5).
Рис. 4. Внешний вид поверхности упругой оболочки с ячейками
Рис. 5. Внешний вид лабораторного макета для измерения давления в пасте. Диаметр цилиндра 42 мм
Измерения проводили методом тензометрии. Датчики располагали согласно схеме, представленной на рис. 6. Плоский ракель устанавливали под углом 30° к касательной к окружности, проведенной в точке контакта ракеля. Под таким углом установлены ракели в серийных печатных машинах. Линейную скорость движения валикового ракеля принимала 2, 4, 6 и 8 см/с. Эти значения рекомендованы производителем трафаретного оборудования для нанесения пасты при изготовлении LTCC-микросхем.
Рис. 6. Схема установки датчика давления
Тензодатчик подключали к усилителю, сигналы с усилителя регистрировали с помощью цифрового осциллографа PCS500 и обрабатывали с помощью программы MS EXEL. На рис. 7 приведен пример распределения давления в пасте, полученный на экране осциллографа.
Рис. 7. Распределение давления в пасте при движении валкового ракеля
Измерение деформации валкового ракеля под действием гидродинамического давления моделировали механическим статическим давлением согласно схеме на рис. 8. На рис. 9 приведены результаты измерения деформации статической нагрузкой материала NFS.
Рис. 8. Схема измерения деформации упругой покрышки
0,50
« 0,40
м
м
J 0,30
3 0,20 ам
& 0,10 ф
0,00
Материал NSF
-с
ячей.
0,00 0,20 0,40
Давление, кг/мм
Рис. 9. Деформация материала NFS с ячейками статической нагрузкой
Измерение толщины красочного слоя проводили с помощью универсального микроскопа УИМ 21 по стандартной методике как разницу измеренного размера чистой поверхности гладкого валика и поверхности, покрытой слоем пасты после воздействия плоским ракелем.
IV. Результаты экспериментов Основные результаты проведенных исследований представлены в виде зависимости давления в слое пасты, расположенном перед движущимся валковым ракелем (рис. 10), от скорости движения последнего. Также получена расчетная и экспериментальная зависимость давления в слое пасты от скорости движения валкового ракеля при нулевом начальном зазоре (рис. 11). Кроме того, на рис. 12 приведена зависимость толщины слоя пасты на оттиске от скорости движения валкового ракеля.
Давление, Па
140000 120000 100000 80000 60000
У/7
- ♦ - Зазор 0 мм --■--Зазор 0,2 мм
— —Зазор 0,3 мм
2 4 6 «
Скорость, см/с
Рис. 10. Зависимость расчетного давления в пасте от скорости движения валкового ракеля
Из рис. 10 видно, что давление в пасте тем больше, чем меньше начальный зазор между дозирующим и валковым ракелем. Так, для начального зазора 0 мм давление при минимальной скорости (0.2 см/с) составляет 60000 Па, для начального зазора 0.2 мм - 40000 Па, для начального зазора 0.3 мм - 30000 Па. С увеличением скорости движения валкового ракеля давление в пасте растет нелинейно. Так, для начального зазора 0 мм при скорости движения валкового ракеля 0.8 см/с давление составляет 128000 Па, для начального зазора 0.2 мм -120000 Па, для начального зазора 0.3 мм - 116000 Па. То есть с увеличением скорости движения валкового ракеля разница между давлениями для разных начальных зазоров уменьшается, а графики линий зависимостей сходятся. Это объясняется тем, что при увеличении скорости движения валкового ракеля рост скорости пасты в зазоре между плоским ракелем и валиком происходит медленнее, чем в остальной части пасты, что приводит к замедлению роста давления. При дальнейшем увеличении скорости движения валкового ракеля давление при разных начальных зазорах будут совпадать.
Давление. Па
от скорости валкового ракеля при нулевом начальном зазоре
Из рис. 11 видно, что расчетные и измеренные значения давления различаются. Однако различия невелики. Так, при минимальной скорости движения валкового ракеля (2 см/с) расчетное и измеренное давления составляют 52000 и 54000 Па соответственно, что составляет около 3%. Такая разница не выходит за пределы погрешности измерений. Нужно отметить, что в целом тип расчетной и измеренной зависимостей совпадает.
Для определения толщины слоя пасты на поверхности валика необходимо по давлению, рассчитанному для соответствующей скорости, по графику деформации упругой покрышки определить ее деформацию. Так как толщина материала упругой покрышки известна, то можно определить деформацию в микрометрах, которая будет определять толщину слоя пасты.
Рис. 12. Зависимость толщины слоя пасты от скорости движения валкового ракеля
Из рис. 12 видно, что толщина слоя пасты на оттиске прямо пропорционально зависит от давления в пасте, расположенной перед движущимся валковым ракелем и от начального зазора между дозирующим и валковым ракелем. Так, при скорости валкового ракеля (2 см/с) и начальном зазоре 0 мм толщина слоя составляет 8,4 мкм, а при максимальной (8 см/с) - 12.9 мкм. При этом разница толщин для разных начальных зазоров при увеличении скорости так же увеличивается. Если при минимальной скорости движения валкового ракеля разница толщин составляет примерно 0.1 мкм, то при максимальной - 0.5-1 мкм.
V. Обсуждение результатов
Толщина слоя пасты на оттиске зависит от давления в пасте, находящейся перед движущимся валковым ракелем. Это давление в большой степени зависит от скорости движения валкового ракеля. Увеличить давление можно за счет увеличения скорости вращения валкового ракеля. Однако наиболее оптимальным является вариант, когда валковый ракель катится по поверхности печатной формы без проскальзывания. Это объясняется тем, что при увеличении касательных напряжений температура в пасте и ее вязкость изменяются нелинейно, что приводит к снижению предсказуемости результата. На этом основании при проведении расчетов принимали, что валковый ракель катится по поверхности формы без проскальзывания. Скорость движения валкового ракеля выбирали исходя из параметров реального оборудования.
Данные, приведенные на рис. 11, позволяют сделать вывод об адекватности разработанной модели течения пасты. Графические зависимости, полученные для других параметров печатного процесса, носят подобный характер. Давление в слое пасты составляет от 30000 до 130000 Па для разных скоростей движения валкового ракеля и предварительного зазора между дозирующим и валковым ракелем.
Графические зависимости на рис. 12 позволяют определить количество пасты на оттиске в диапазоне 8-12.9 мкм.
Таким образом, последовательность выбора режимов печатного процесса, состоит из следующих шагов.
Исходя из требований, предъявляемых к проводникам, с точки зрения их электрических свойств, на стадии разработки электронного устройства, выбирается толщина проводника, которую необходимо получить на оттиске. Ширина проводника задается шириной печатающего элемента трафаретной формы. Опытным путем или из паспортных данных определяются механические свойства упругой покрышки валкового ракеля. По полученной модели течения пасты определяется давление в пасте, расположенной перед движущимся валковым ракелем. Из полученных графических зависимостей подбирается скорость движения валкового ракеля и предварительный зазор между плоским ракелем и упругой покрышкой, позволяющие добиться нужной толщины слоя пасты на оттиске.
VI. Выводы и заключение
Предложенная методика позволяет определить количество пасты на оттиске, что важно при изготовлении компонентов радиоэлектроники. Для использования методики нужно определить деформацию упругой покрышки, рассчитав давление в слое пасты, которая движется под действием валкового ракеля в красочном аппарате. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показали их хорошее совпадение, что позволяет использовать расчетный метод без проведения экспериментов. Для определения давления в пасте нужно знать ее реологические характеристики, которые обычно приводятся в сопровождающих документах предприятия-изготовителя. Кроме того, нужно знать механические свойства упругой оболочки, которые также имеются в документации на материал либо измеряются по известным методикам. В результате обработки данных формируется графическая зависимость количества пасты на поверхности цилиндра. По полученным зависимостям определяются параметры печатного процесса (скорость движения валкового ракеля и предварительный зазор между плоским ракелем и упругой покрышкой) в зависимости от потребного количества пасты на оттиске. Эксперименты показали, что при скорости движения валкового ракеля в диапазоне 2-8 см/с, для предварительного зазора между дозирующим и валковым ракелем 0-0.3 мм, толщина слоя пасты на оттиске находится в диапазоне 8-12.9 мкм. Давление в пасте изменяется в диапазоне 30000-130000 Па.
Список литературы
1. Sljukic B. Screen printed electrodes and screen printed modified electrodes benefit from insonation / Sljukic B. and other // Electroanalysis. 2006. Т. 18, no. 9. С. 928-930.
2. Lin H. W. The rheological behaviors of screen-printing pastes // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Т. 197, № 1-3. С. 284-291.
3. Fernandez Romero J. M. Application of screen-printed electrodes as transducers in affinity flow-through sensor systems / J.M. Fernandez Romero and other // Biosensors and Bioelectronics. 1998. Т. 13, № 10. С. 1107-1115.
4. Li Ch. Enhanced field emission from ZNO nanotetrapods on a carbon nanofiber buffered ag film by screen printing Ch. Li and other // Applied Physics Letters. 2008. Т. 93, № 23. С. 233508.
5. Kevra J. Estimation of shear rates during 'rolling' in the screening and stencilling process // Int. Soc. for Hybrid Microelectronics. December 1989. № 12(4).
6. Fox I. J., Claypole T. C. and Gethin D. T. An experimental investigation into ink transfer using a roller squeegee in high-speed screen printing // Proc Instn Mech. Engrs. J. Process Mechanical Engineering. April 2003. Vol. 217. Part Е. Р. 307-320.
7. Glinski G. P., Bailey C., Pericleous K. A. A non-Newtonian computational fluid dynamics study of the printing process // Proc Instn Mech Engrs. 2001. Vol. 215. Part C. Р. 437-446.
8. Fox I. J., Bohan M. F. J., Claypole T. C. and Gethin D. T. Film thickness prediction in halftone screen-printing. Proc. Instn Mech. Engrs // J. Process Mechanical Engineering. 2003. Vol. 217. Part E. Р. 345-359.
9. Пат. 70198 Российская федерация, МПК B 41 F 15/42. Красочный аппарат для трафаретной печати / С. Н. Литунов. № 2006107089/22; заявл. 06.03.06; опубл. 20.01.08, Бюл. № 2.
10. Litunov S. N., Yurkov V. Y. Research of paste transition to substrate in LTCC-technology // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 944. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012075.
УДК 621.81
БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ ПИТАТЕЛЬНОГО РАСТВОРА В ПРОМЫШЛЕННОЙ АЭРОПОННОЙ УСТАНОВКЕ
CONTROL UNIT FOR THE DOSE SUPPLY OF THE NUTRIENT SOLUTION IN THE INDUSTRIAL AIRPORT INSTALLATION
А. П. Моргунов, И. В. Киргизова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
А. P. Morgunov, I. V. Kirgizova
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Развитие агропромышленного сектора по производству перспективных сортов картофеля ограничивается вирусными инфекциями, а также использованием некачественного семенного материала. Наиболее эффективным способом производства элитного посадочного материала картофеля является аэропонные системы выращивания семян картофеля. С целью повышения производительности установок и снижения затрат предлагается использовать задвижной блок управления для дозированной подачи питательного раствора к корневой системе растений картофеля. В ходе исследований разработан блок управления для подачи питательного раствора, который возможно настроить на определенные интервалы времени и автоматизировать промышленные аэропонные установки, работающие на больших площадях.
Ключевые слова: аэропонная установка, форсунки, электромеханический привод.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-181-184
I. Введение
Картофель является важнейшим продуктом потребления и источником витаминов. В условиях Сибири в связи с поражениями вирусной инфекцией не культивируются сорта, устойчивые к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды. Актуальным является внедрение эффективных способов производства элитного семенного материала. Одним из эффективных методов производства семян картофеля является метод аэропоники.
Аэропоника - метод выращивания растений на безсубстратной основе. Обеспечение растений питательными веществами и водой осуществляется путем распыления питательного раствора на корни растений [1, 2, 3]. Растения закрепляются опорной системой, а корневая система растений находится в воздухе в подвешенном состоянии. Однако для успешного промышленного получения элитного семенного материала картофеля необходимо подбирать оптимальные условия культивирования, главным из которых является дозированная и периодическая подача питательного раствора [4].
II. Постановка задачи
Цель исследований: разработка технологической системы блока управления дозированной подачи питательного раствора в промышленных аэропонных установках для автоматизированного управления системы с возможностью предварительной настройки на заданные режимы работы.
