CC BY
18
Computer simulation allowed to obtain a numerical estimate of the passive orientation time of the part depending on the geometric parameters of the part, the gripping bodies of the hopper feeding device and the friction coefficient of the sliding part on the guide surfaces. Experimental video recording of the process of passive orientation of piece parts in a mechanical toothed hopper feeding device with a ring orientator confirmed the adequacy of the proposed mathematical model of the passive orientation process.
Key words: automatic feeding, feeding hopper feeding device, passive orientation, modeling, experimental researches.
Khachaturian Alyona Vadimovna, applicant, alena.dr 71 agmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Preis Vladimir Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, manager of chair, rabota-preysayandex.ru, Russia, Tula, Tula state university
УДК 655.33; 621.382
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО И НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДАВЛЕНИЯ В ТРАФАРЕТНОМ ПЕЧАТНОМ УСТРОЙСТВЕ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
Х.А. Хилаль, С.Н. Литунов, Н.Е. Проскуряков
С помощью программы, в которой реализована разработанная ранее модель с использованием модели движения идеальной жидкости, рассчитано давление в краске, расположенной перед дозирующим ракелем в трафаретном устройстве повышенной точности. Исследованы углы наклона ракеля 75°...105° при скорости его движения 2...20 см/с. С помощью лабораторного печатного устройства получено экспериментальное давление в краске при тех же параметрах. Показано, что расчетное и экспериментальное давления различаются на 9.12 %. При расчете и выборе параметров течения краски и печатного процесса предложено использовать корреляционный коэффициент.
Ключевые слова: печатная электроника, трафаретная печать, сетчатая основа, гидродинамическое давление.
Анализ технической литературы позволяет сделать вывод о росте производства печатной электроники с применением способа трафаретной печати. Трафаретнуюпечатьиспользуютприизготовлениисолнечныхбатарей [1 - 3], микросхем [4, 5], сенсоров [6], атакже дляполученияэлектродовраз-личногоназначения [7 - 12]. Это обуславливает повышенный рост требований к точности трафаретных оттисков. Классическая трафаретная печать предусматривает наличие ракеля, изготовленного, например, из полиуретана. Печатная форма представляет собой полимерную или стальную сетку, на которой фотомеханическим способом сформированы пробельные элементы. Для отрыва печатной формы от запечатываемого материала предусмотрен так называемый технологический зазор (рис. 1).
Ракель
Сетчатая основа
Печатная форма 1
Технологический зазор
/
Оттиск
Рис. 1. Схематичное изображение процесса классической
трафаретной печати
Во время печати ракель воздействует на печатную форму, растягивая ее по направлению хода ракельной каретки и выбирая технологический зазор. Расчеты показывают [13], что деформация изображения на оттиске относительно оригинала может достигать 0,2 мм, что снижает характеристики радиоэлектронных компонентов.
Для снижения деформации печатной формы предложено использовать цилиндрический ракель для продавливания краски на запечатываемый материал, дозирующий ракель для заполнения ячеек сетчатой основы и снятие излишков краски с поверхности печатной формы [14]. Дозирующий ракель представляет собой тонкую стальную пластину, расположенную непосредственно перед цилиндрическим ракелем (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема трафаретного печатного аппарата повышенной точности: 1 - печатная форма; 2 - цилиндрический ракель; 3 - дозирующий ракель; 4 - краска; 5 - подложка
Такое устройство позволяет снизить деформацию печатной формы за счет уменьшения тянущих усилий, приложенных к сетчатой основе, и технологического зазора.
Постановка задачи
При проектировании печатного устройства повышенной точности и при выборе параметров печатного процесса при изготовлении тиражной продукции необходимо знать зависимость давления от угла наклона дозирующего ракеля и скорости его движения. С помощью этой зависимости определяют глубину проникновения краски в ячейки сетчатой основы печатной формы с целью точного дозирования толщины красочного слоя на оттиске.
Задача исследования заключается в сравнении результатов вычислительного эксперимента по определению давления в краске, проводимого с помощью специально разработанной программы, с результатами натурного эксперимента, проводимого с использованием лабораторного макета
печатного устройства повышенной точности. Целью исследования является определение корреляционного коэффициента, позволяющего использовать расчетные данные для определения давления в краске.
Теория. Гидродинамическое давление к краске перед дозирующим ракелем, возникающее при его движении, рассчитывали с помощью программы, разработанной в МаШсаё. В программе реализована модель движения идеальной жидкости, описываемая уравнением Эйлера и уравнением неразрывности:
д V
+ (V , V) V = -- grad P + F
д ' - (1)
ё^У = 0 ,
где V - скорость; Р - давление; р - плотность жидкости; F - массовые силы; ? - время.
Считаем движение ракеля стационарным, поэтому производную скорости по времени не учитываем. При выполнении условия потенциальности существует скалярная функция, называемая потенциалом скоростей ф(х,у), такая, что
V = grad ф.
Подставляя это выражение во второе уравнение системы (1), получаем уравнение Лапласа, которое для плоского случая имеет вид
V2 Ф = ^ +
дф Эф
дх2 + ду2
Также существует функция тока у(х,у) :
ду ду
и = —^, V =--. (2)
ду дх
Сумма функций ф(х,у) и у(х,у) представляет собой комплексный потенциал течения Ж(1):
= ф(х,у) + у(х,у).
Используя известную формулу Жуковского, которая описывает обтекание пластинки поступательным потоком, поворачивая пластинку относительно системы координат и отображая верхнюю комплексную полуплоскость на нижнюю, получаем картину движения, показанную на рис. 3.
Такое расположение пластинок позволяет считать линию симметрии (ось Ох) плоскостью, по которой движется дозирующий ракель, и рассматривать течение только в верхней полуплоскости. Скорость обтекания пластинок рассчитывали из выражения (2). Параметрами расчета были скорость поступательного потока на бесконечности, которую принимали равной скорости движения ракеля, и угол наклона пластинки.
Скорость движения поступательного потока, исходя из возможностей лабораторного печатного устройства, принимали равной 2, 5, 10, 20 см/с, угол наклонна пластинки - 75°, 80° (тупые углы), 100°, 105° (острые углы). Такой выбор обусловлен результатами предварительного эксперимента.
Рис. 3. Обтекание поступательным потоком пары пластинок,
расположенных симметрично относительно горизонтали.
Стрелками показано направление поступательного потока
Давление на линии симметрии рассчитывали с помощью интеграла Бернулли, который для указанного случая имеет вид
( V2 - V2 ^
P = -) Г-Ратм , (3)
где Ратм - атмосферное давление; V» - скорость движения на бесконечности, V=*Ju2 + v2 .
Результат расчетов получен в виде графика распределения давления на длине 10 мм, что объясняется количеством краски перед дозирующим ракелем.
Постановка эксперимента. Натурный эксперимент проводили с помощью лабораторного макета печатного устройства. Ракельная каретка оснащена дозирующим ракелем, который представляет собой стальную пластину толщиной 1 мм с полированной рабочей кромкой (рис. 4). Использовали универсальную трафаретную краску на сольвентном связующем Libra Print LIP (фирма Marabu, Германия), имеющую динамическую вязкость 11...12 Па- с и плотность 0,87 г/см3, что является средними показателями среди электропроводных жидкостей.
Давление измеряли методом тензометрии. На рис. 5 показана принципиальная схема измерительного устройства.
Для проведения опытов использовали алюминиевую фольгу толщиной 50 мкм с отверстием диаметром 65 мкм, полученным с помощью СО-лазера (рис. 6). Ракель перемещался со скоростью 2, 5, 10, 20 см/с.
На рис.7, 8 показано расчетное распределение гидродинамического давления в идеальной жидкости при обтекании пары пластинок, симметрично расположенных относительно горизонтальной оси.
315
Рис. 4. Ракельная каретка: 1 - цилиндрический ракель с упругой оболочкой; 2 - дозирующий ракель; 3 - механизм изменения угла наклона дозирующего ракеля; 4 - корпус
7 8 9
Рис. 5. Измерительное устройство для определения давления в отверстии: 1 - фольга; 2 - отверстие; 3 - пластинка; 4 - краска; 5 - тензодатчик; 6 - печатный стол; 7 - усилитель; 8 - осциллограф;
9 - компьютер
Рис. 6. Отверстие, выполненное лазером в алюминиевой фольге толщиной 50 мкм. Изображение получено с помощью растрового электронного микроскопа ЗСМ-5700
316
а б
Рис. 7. Распределение давления в идеальной жидкости при угле наклона ракеля 75°(а), 80° (б)
а б
Рис. 8. Распределение давления в идеальной жидкости при угле наклона ракеля: а -100°; б -105°
Из рисунков видно, что графики имеют вертикальную симметрию, по форме идентичны и отличаются только максимальными значениями. Течение идеальной жидкости происходит при отсутствии вихрей, что объясняет симметрию графиков. Разработанная модель позволяет определить максимальное давление в жидкости по линии симметрии, непосредственно на нижнем конце пластинки, что моделирует давление в краске перед дозирующим ракелем, движущимся по плоской поверхности.
На рис.9 показана зависимость расчетных максимальных давлений в идеальной жидкости от угла наклона и скорости движения поступательного потока. В диапазоне 80°... 100° график показан пунктиром.
Из рис.9 видно, что значения давления для одинаковых углов наклона дозирующего ракеля, но «соседних» по скорости отличаются примерно в два раза. Так, для угла наклона ракеля 105° отношение давлений
317
составляет 1,97; 2,23; 2,14 для «соседних» скоростей 2 и 5, 10 и 20 см/с соответственно. Для остальных значений отношение составляет так же примерно в два раза.
Давление, Па_
Угол наклона, градус
Рис. 9. Зависимость расчетных максимальных давлений от угла наклона ракеля для разных скоростей поступательного потока
Экспериментальное определение давления в краске. Опыты проводили с использованием краски при указанных выше скоростях и углах наклона дозирующего ракеля (рис. 10, 11).
дозирующим ракелем. Угол наклона ракеля 105° и 100°
Из рисунков видно, что графики имеют вертикальную симметрию. Линия симметрии расположена в непосредственной близости к нижней кромке ракеля. Так как в каждом опыте при движении ракельной каретки форма валика краски перед ракелем меняется, то расположение линии симметрии также меняется. По той же причине расстояние, на котором показано распределение давления, на каждом опыте различно.
318
Давление, Па
Давление, Па
Расстояние, мм
Расстояние, мм
Рис. 11. Распределение давления в краске, расположенной перед дозирующим ракелем. Угол наклона ракеля 80° и 75°
На рис. 12 приведены зависимости максимальных давлений в краске от угла наклона дозирующего ракеля и скорости его движения.
Угол.градус
Рис. 12. Зависимость максимальных давлений в краске от угла наклона дозирующего ракеля и скорости его движения
Сравнение значений расчетного и экспериментального давлений для соответствующих скоростей движения ракеля и угла его наклона показывает, что расчетные значения во всех случаях выше, чем экспериментальные. Это объясняется более высокой скоростью движения идеальной жидкости по сравнению с краской, что обусловлено наличием вязкости последней. Согласно интегралу Бернулли, давление от скорости зависит прямо пропорционально, что и определяет разницу давлений.
Расхождение максимальных расчетных и экспериментальных давлений составляет 9.. .12 %, среднее значение равно 10,2 %.
Выводы
Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений давления в идеальной жидкости и краске показывает, что графики распределения давлений имеют схожую форму. Экспериментальные данные отличаются от расчетных на 9.12 %, среднее отклонение составляет 10,2 %.
319
Кроме того, для «острых» и «тупых» углов разница между расчетными и экспериментальными значениями отличается на величину не более 1,25 %, что находится в пределах точности измерений. При проведении расчетов по определению давления в краске перед дозирующим ракелем для углов наклона 75°...105° можно использовать коррелирующий коэффициент
кк = 0,102.
Список литературы
1. Rauer M. Quantitative theoretical and experimental analysis of alloying from screenprinted aluminum pastes on silicon surfaces / Michael Rauer and el. // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2018. № 176. P. 295 - 301.
2. Jiajer H. Rear-surface line-contact optimization using screen-print techniques on crystalline solar cells for industrial applications // Materials Science in Semiconductor Processing. 2018. № 83. P. 22 - 26.
3. Raminafshar C. Carbon based perovskite solar cells constructed by screen-printed Components // Electrochimica Acta, 2018. № 276. P. 261 - 267.
4. Ashebir G. Fully screen printed LRC resonant circuit // Microelectronic Engineering. 2016. № 162. Р. 6 - 11.
5. Dae U.K. Effects of oxidation on reliability of screen-printed silver circuits for radio frequency applications // Microelectronics Reliability. 2016. № 63. P. 120 - 124.
6. Molinero-Abad B. Comparison of backing materials of screen printed electrochemical sensors for direct determination of the sub-nanomolar concentration of lead in seawater // Talanta. 2018. № 182. Р. 549 - 557.
7. Jadav J.K. Development of silver/carbon screen-printed electrode for rapid determination of vitamin C from fruit juices // LWT - Food Science and Technology. 2018. № 88. Р. 152 - 158.
8. Pellitero M.A. Antimony tin oxide (ATO) screen-printed electrodes and their application to spectroelectrochemistry // Electrochemistry Communications. Accepted Manuscript. 2018.
9. Rawlinson S. Rapid determination of salicylic acid at screen printed electrodes // Microchemical Journal. 2018. № 137. Р. 71 - 77.
10. González-Sánchez M.I. Highly activated screen-printed carbon electrodes by electrochemical treatment with hydrogen peroxide // Electrochemistry Communications. 2018. № 91. Р. 36 - 40.
11. Pengjuan L. Imprinted nanobead-based disposable screen-printed po-tentiometric sensor for highly sensitive detection of 2-naphthoic acid // Materials Letters. 2018. № 225. Р. 138 - 141.
12. Saxena S. Voltammetric study of multiwalled carbon nanotube modified screen printed carbon electrode for the determination of a phytoconstituent wedel lactone // Materialstoday: Proceedings. 2018. Volume 5.Issue 3.Part 1.P. 9167-9172.
13. Рудак Ю.А. Влияние трафаретной печатной формы на качество печати при изготовлении LTCC-плат // Техника радиосвязи. 2014. № 1(21). С.95 - 102.
14. Патент 85399 Российская Федерация, МПК B41F 15/34. Устройство для трафаретной печати / С.Н. Литунов, Д.С. Филатов. № 2009108674/22. Заявл. 10.03.2009.Опубл. 10.08.09. Бюл. № 22.
Хилаль Хайсам Ареф, аспирант, oitpp a mail.rii, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Литунов Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, litunov-sergeyy@rambler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, vippne a mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE RESULTS OF COMPUTATIONAL AND NATURAL EXPERIMENTS TO DETERMINE THE PRESSURE IN THE SCREEN PRINTING DEVICE
OF HIGH PRECISION
H.A. Hilal, S.N. Litunov, N.E. Proskuriakov
With the help of the program, which implemented the previously developed model using the model of motion of the ideal liquid, the pressure in the paint is calculated, placed before the dosing squeegee in the stencil device of increased accuracy. The angles of inclination of the squeegee 75°...105°, at a speed of its movement 2...20 cm/s. With the help of a laboratory-printing device, an experimental pressure in the paint obtained at the same parameters. It is shown that the calculated and experimental pressures differ by 9...12%. When calculating and selecting the parameters of the ink flow and the printing process, it is proposed to use the correlation coefficient.
Key words: printed electronics, screen-printing, mesh base, hydrodynamic pressure.
Hilal Haitham Aref, postgraduate, oitpp@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Litunov Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, li-tunov-sergeyyarambler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Proskuriakov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, vippnea mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
