Simulazione morfologica della goccia

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 64 (2022) Citare questo articolo

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L'elettronica stampata a getto d'inchiostro è diventata un argomento di ricerca popolare negli ultimi anni. Per la comune tecnologia di stampa a getto d'inchiostro drop-on-demand (DOD), i bordi irregolari sono un problema universale. Molti fattori, come le proprietà dell'inchiostro e i parametri di stampa, influenzano questo problema e i metodi numerici sono migliori dei metodi sperimentali per studiare queste influenze. In questo articolo viene creato un modello basato sul metodo del volume del fluido (VOF) e sui file definiti dall'utente (UDF) in Ansys F per simulare il processo di formazione delle goccioline di inchiostro depositate. Il modello e le UDF includono l'effetto di attrito e la morfologia di una singola gocciolina, di due goccioline fuse e di più goccioline viene simulata per studiare l'influenza di diversi fattori; alcuni risultati possono servire come linee guida per migliorare la qualità del modello. Infine, viene studiato anche l'effetto del trattamento selettivo per comprenderne i vantaggi per la stampa a getto d'inchiostro.

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, flessibilità e vestibilità sono diventate caratteristiche importanti per i prodotti elettronici1,2,3, come display flessibili4,5, celle solari6,7, sistemi RFID8,9,10 e sensori sanitari indossabili11,12 ,13. Le tecnologie di stampa per l'elettronica di stampa, come la serigrafia14,15, la stampa a getto d'inchiostro16,17 e la stampa a trasferimento18,19,20, sono state sviluppate e studiate ampiamente a causa del loro basso costo e delle grandi aree21. La stampa a getto d'inchiostro, in quanto tecnologia digitale controllata e matura, presenta caratteristiche di stampa senza contatto22 e di progettabilità di modelli23 ed è ampiamente utilizzata per la stampa di materiali conduttivi24,25,26, semiconduttori27,28 e dielettrici29,30. Nelle tecnologie di stampa a getto d’inchiostro, i getti d’inchiostro continui sprecano sempre inchiostro31, e le stampanti a getto d’inchiostro avanzate come quelle con getti aerosol32 e getti elettroidrodinamici33 sono specializzate per modelli raffinati su piccola scala. Considerando la scala di stampa, l’efficienza e i costi, una stampante a getto d’inchiostro drop-on-demand (DOD) convenzionale è molto adatta per i componenti elettronici stampati34. Tuttavia, ci sono anche diversi problemi associati alla fabbricazione di modelli mediante un getto d'inchiostro DOD. Le singole goccioline non possono essere disposte esattamente lungo i contorni smussati e i bordi irregolari causeranno modelli anisotropi e altri potenziali problemi35. Esiste anche un conflitto tra stampabilità e risoluzione del modello; un angolo di contatto relativamente basso migliora la stampabilità dell'inchiostro, ma un'area maggiore delle goccioline influisce sulla risoluzione del motivo36,37.

I problemi sopra menzionati hanno limitato l’ampio utilizzo dell’elettronica per la stampa a getto d’inchiostro. Inoltre, anche le proprietà fisiche dell’inchiostro, come la viscosità e la tensione superficiale, influenzano la formazione dei motivi38. È possibile prendere in considerazione molti tipi di solventi per un dato materiale funzionale e la selezione del solvente è una questione importante. Per risolvere i problemi di cui sopra, le regole di formazione morfologica delle goccioline dovrebbero essere studiate sistematicamente e la simulazione numerica è un metodo adatto per ricercare questo argomento.

Diversi ricercatori hanno condotto simulazioni numeriche delle tecnologie a getto d'inchiostro. Stringer e Derby hanno studiato la deposizione e la formazione di goccioline multiple mediante analisi teorica di dati sperimentali e hanno scoperto che esistono valori massimi e minimi di spaziatura tra le gocce per consentire la stampa di linee stabili39, ma non hanno modificato il solvente o la frequenza di stampa. Lee et al. hanno studiato numericamente l'impatto delle goccioline e le dinamiche della coalescenza utilizzando il metodo del livello di interfaccia tagliente40 e hanno illustrato che gli angoli di contatto in avanzamento e in allontanamento svolgono un ruolo importante in questo processo. Zhang et al. hanno simulato la morfologia di una linea di goccioline multiple depositate con un modello Boltzmann a reticolo41, hanno ottenuto tutti i tipi di linee stampate ma non hanno studiato l'influenza della frequenza di stampa. Da studi esistenti, sia le proprietà dell'inchiostro (velocità d'impatto, tensione superficiale, viscosità) che i parametri di stampa (spaziatura delle gocce) hanno un'influenza sui modelli stampati, ma questi studi studiano sempre solo una parte dei fattori nel processo di stampa, una panoramica di questo la domanda non è ancora chiara. Pertanto in questo studio cerchiamo di ricercare sistematicamente l'influenza delle proprietà dell'inchiostro e dei parametri di stampa e forniamo diverse linee guida per la fabbricazione di componenti elettronici stampati a getto d'inchiostro.

0, this piece of contact line moves forward, and if vcontline < 0, the contact line moves backward. Then, the dynamic contact angle θd is calculated by/p> θadv, the contact line should move forward, and the boundary condition is θadv. Similarly, if θd < θrec, the boundary condition is θrec. If θrec ≤ θd ≤ θadv, the force at the contact line is wetted and maintains its quasi-static state, and the boundary condition is θd. The frame of the UDF is shown in Fig. 2c, and the UDF works on every cell and is renewed every time step./p> 40°, droplets easily aggregate, and a smaller S is necessary to form a continuous line; thus, DL becomes larger. Therefore, 30° < θs < 40° is appropriate for fabricating thin single lines. Figure 7c draws the points in Fig. 7a and b together. Because the minimum DL/r is larger than the maximum S/r, these printing parameters can be used for fabricating patterns with multirow lines./p> θs1). When θd < θs2, the dynamic contact angle tends to be higher and contact line tends to move backwards, as discussed. As a result, high θs2 makes droplets thinner and longer./p>