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應用 FLOW-3D 於噴墨製程的熱傳/流體分析

 
作者 :

Christopher N. Delametter , KODAK

報告重點

•  噴墨製程之模擬分析概論

•  薄膜結構與相鄰流體之間的熱分析細節設定

•  均勻熱氣泡模型的詳細結果說明

•  噴嘴設計的驗證(包含了 chamber structure, reservoir, 以及 nozzle)

•  液滴生成模擬

•  結論

 

  噴墨製程的模擬分析

研究分析軟體採用 FLOW-3D 商業版本。

分析時採用簡化的軸對稱流體模型模擬典型的熱氣泡噴墨製程機構

在 0~1μs 之間,施加能量於位在流體下方的薄膜堆疊電阻加熱機構。

大約在 1 μs 時,與加熱機構相鄰的流體達到過熱溫度限制,並且開始形成氣泡。

氣泡迅速膨脹,驅動流體通過相鄰的孔洞,噴出液滴。

氣泡繼續擴大,當薄膜層不足以支撐氣泡形成時,氣泡就會破裂。

 

動畫1.噴墨過程的模擬 (FLOW-3D)

 

薄膜結構與相鄰流體之間的熱分析細節設定

 

 

均勻熱氣泡模型的特徵
當氣泡開始形成時,流固界面溫度達到預定的過熱溫度限制。
假設氣泡為均勻的,並且為理想氣體 (equation-of-state) ,可由 Clapeyron 方程式描述的相變化飽和壓力加以說明。通過流體 / 蒸汽邊 界的質量流率可由動量定律求解而得。

動畫2.均勻熱氣泡的形成(FLOW-3D )

 

實驗驗證

 

動畫3.Open Pool 實驗

( 2003 年完成 , 感謝 Dr. David Trauernicht 提供此實驗照片 )

 

動畫4.Open Pool 模擬(FLOW-3D)

 

Ejector 設計的考量重點

輸出特徵:

•  Drop Volume and Velocity

•  Drop Quality

•  Maximum Firing Frequency

關鍵設計參數:

•  Chamber Height

•  Nozzle Plate Thickness

•  Nozzle Shape

•  Reservoir Impedance

•  Heater Size

 

液滴生成模擬

 

結論

FLOW-3D 提供柯達 (Kodak) 相當完善的技術支援以及相關的研究協助,並且能夠在有限的時間內提供相當可靠的研究數據。

FLOW-3D 的 VOF 技術證明了分析預測的模擬結果與真正的實驗相比非常吻合。