Simulação morfológica de queda

npj Flexível Electronics volume 6, Número do artigo: 64 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A eletrônica impressa a jato de tinta tornou-se um tópico de pesquisa popular nos últimos anos. Para a tecnologia comum de impressão a jato de tinta drop-on-demand (DOD), bordas irregulares são um problema universal. Muitos fatores, como as propriedades da tinta e os parâmetros de impressão, influenciam esse problema, e os métodos numéricos são melhores do que os métodos experimentais para estudar essas influências. Neste artigo, um modelo baseado no método Volume of Fluid (VOF) e arquivos definidos pelo usuário (UDFs) em Ansys F é estabelecido para simular o processo de formação de gotículas de tinta depositadas. O modelo e as UDFs incluem o efeito de fricção e a morfologia de uma única gota, duas gotas fundidas e várias gotas são simuladas para estudar a influência de diferentes fatores; alguns resultados podem servir como diretrizes para melhorar a qualidade do padrão. Finalmente, o efeito do tratamento seletivo também é estudado para entender suas vantagens para a impressão a jato de tinta.

Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, flexibilidade e capacidade de vestir tornaram-se características importantes para produtos eletrônicos1,2,3, como telas flexíveis4,5, células solares6,7, sistemas RFID8,9,10 e sensores vestíveis de saúde11,12 ,13. As tecnologias de impressão para impressão eletrônica, como serigrafia14,15, impressão a jato de tinta16,17 e impressão por transfer18,19,20, têm sido desenvolvidas e estudadas extensivamente devido ao seu baixo custo e grandes áreas21. A impressão a jato de tinta, como uma tecnologia controlada digitalmente madura, possui recursos de impressão sem contato22 e capacidade de design de padrão23 e é amplamente utilizada para a impressão de materiais condutores24,25,26, semicondutores27,28 e dielétricos29,30. Nas tecnologias de impressão a jato de tinta, os jatos de tinta contínuos sempre desperdiçam tinta31, e as impressoras a jato de tinta avançadas, como aquelas com jatos de aerossol32 e jatos eletrohidrodinâmicos33, são especializadas em padrões refinados em pequena escala. Considerando a escala de impressão, eficiência e custo, uma impressora jato de tinta drop-on-demand (DOD) convencional é muito adequada para eletrônicos impressos34. No entanto, também existem vários problemas associados à fabricação de padrões por um jato de tinta DOD. Gotículas individuais não podem ser dispostas exatamente ao longo dos contornos do bisel, e bordas irregulares causarão padrões anisotrópicos e outros problemas potenciais35. Há também um conflito entre a capacidade de impressão e a resolução do padrão; um ângulo de contato relativamente baixo melhora a capacidade de impressão da tinta, mas uma área de gota aumentada afeta a resolução do padrão36,37.

Os problemas mencionados acima limitaram o amplo uso de eletrônicos de impressão a jato de tinta. Além disso, as propriedades físicas da tinta, como viscosidade e tensão superficial, também influenciam na formação dos padrões38. Muitos tipos de solventes podem ser considerados para um determinado material funcional, e a seleção do solvente é uma questão importante. Para resolver os problemas acima, as regras de formação da morfologia de gotículas devem ser estudadas sistematicamente, e a simulação numérica é um método adequado para pesquisar esse assunto.

Simulações numéricas de tecnologias de jato de tinta foram realizadas por vários pesquisadores. Stringer e Derby estudaram a deposição e formação de gotas múltiplas por análise teórica de dados experimentais e descobriram que existem valores máximos e mínimos de espaçamento de gotas para permitir a impressão de linhas estáveis39, mas não alteraram o solvente ou a frequência de impressão. Lee e outros. investigou numericamente a dinâmica de impacto e coalescência de gotículas usando o método de definição de nível de interface nítida40 e ilustrou que os ângulos de contato de avanço e recuo desempenham papéis importantes neste processo. Zhang et ai. simularam a morfologia de uma linha de gotas múltiplas depositadas com um modelo de rede Boltzmann41, eles obtiveram todos os tipos de linhas impressas, mas não estudaram a influência da frequência de impressão. Dos estudos existentes, tanto as propriedades da tinta (velocidade de impacto, tensão superficial, viscosidade) quanto os parâmetros de impressão (espaçamento entre gotas) influenciam os padrões impressos, mas esses estudos sempre estudam apenas parte dos fatores no processo de impressão, uma visão geral disso questão ainda não está clara. Portanto, tentamos pesquisar sistematicamente a influência das propriedades da tinta e dos parâmetros de impressão neste estudo e fornecemos várias diretrizes para a fabricação de eletrônicos impressos a jato de tinta.