气动雾化

气溶胶喷射打印过程中气动雾化、气溶胶输送和沉积的计算流体动力学研究

气溶胶喷射打印 (AJP) 是一种直接写入增材制造技术，已成为制造各种电子设备的高分辨率方法。尽管 AJP 在印刷电子行业中具有优势和关键应用，但 AJP 工艺本质上不稳定、复杂，并且容易出现意外的逐渐漂移，这会对印刷电子设备的形态产生不利影响，从而影响其功能性能。因此，对 AJP 进行现场过程监控和控制是不可避免的需求。在这方面，除了对 AJP 过程进行实验表征外，还需要物理模型来解释 AJP 中潜在的空气动力学现象。这项研究工作的目标是建立一个基于物理的计算平台，用于预测气溶胶流动状态，并最终实现对 AJP 过程的物理驱动控制。为了实现这一目标，我们的目标是提出一个三维 (3D) 可压缩、湍流、多相计算流体动力学 (CFD) 模型，以研究 AJP 过程中 (i) 气溶胶生成、(ii) 气溶胶输送和 (iii) 气溶胶在移动自由表面上沉积背后的空气动力学。沉积头以及气动雾化器的复杂几何形状是在 ANSYS - FLUENT 环境中建模的，基于专利设计以及从 3D X 射线微型计算机断层扫描 (l-CT) 成像获得的精确测量。随后使用光滑和软四边形元素的混合对构建的几何形状的整个体积进行网格划分，同时考虑膨胀层以获得靠近壁面的精确解决方案。采用基于密度和压力的 Navier-Stokes 形成的组合方法来获得稳态解，并将守恒不平衡控制在指定的线性化公差以下（即 10 6 ）。使用具有可扩展壁面函数的可实现 k-e 粘性模型对湍流进行建模。此外，还建立了耦合的两相流模型来跟踪大量注入的粒子。CFD 模型的边界条件是根据从 AJP 控制系统记录的实验传感器数据定义的。使用因子实验验证了模型的准确性，该实验包括在聚酰亚胺基底上 AJ 沉积银纳米粒子墨水。本研究的结果为实施物理驱动的 AJP 现场监测和控制铺平了道路。[DOI：10.1115/1.4049958]