Numerisk och experimentell analys av drop-on-demand jetting av komplexa fluider

Forskningsprojekt, 2011 – 2016

Tekniken att skjuta ut oerhört små mängder vätska (någon miljarddels liter) i rask följd, som så många av oss utnyttjar omedvetet i bläckstråleskrivare i hem och kontor, förs-våras avsevärt om mängden fast material i vätske-partikel-blandningen ökas. Den ökade mängden fast material i vätskan gör den mer viskös, det vill säga trögflytande, vilket försvårar utskjutningen. Micronic Mydata AB har som första företag i världen lyckats att frambringa en ?bläckstråleskrivare? för elektronikindustrin, där lodpasta, en blandning av metallpartiklar och en bärvätska, skjuts ut på ett kretskort för att skapa ledningen mellan kretskortet och de monterade komponenterna. Denna metod erbjuder inte bara en flexibel metod att dispensera komplexa fluider, den förser oss med flera fundamentala frågor kring hur man kontrollerar droppbildning med även andra komplex vätskor, där kraven på processen omfattar, reperterbarhet av droppvolym, utskjutningshastighet och blandningshomogenitet. En fördjupad förståelse av mechanismerna bakom droppbildning av partikel-fluid-suspensioner är inte bara av betydelse för dispensering av lodpasta, utan även för tillämpningar inom bio- och polymerteknologi och nanovetenskap, där kraven på det som skjuts ut är betydligt högre. Vi söker finansiering för en företagsknuten forskare som kan fungera som en bro mellan industrin och den akademiska sfären. Forskaren kommer att vara anställd av Micronic Mydata AB, men samtidigt vara starkt knuten till Institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap vid Chalmers Tekniska Högskola, samt Institutionen för Mekanik vid Kungliga Tekniska Högskolan. Svårigheterna att förstå och modellera dispenseringen av komplexa fluider vars viskositet varierar på hur strömningen ser ut, är betydande och kan inte angripas utan en djupgående analys av droppbildningens bakomliggande mechanismer. Under de första två åren (år 1-2) kommer projektet kommer att inledas med en numerisk analys av droppbildning av komplexa fluider, för att identifiera de vik-tigaste egenskaperna hos vätskan och framdrivningen för en framgångsrik dispensering av blandningen. Dessa egenskaper omfattar både dem hos fluiden (fluidens viskositet, elasticitet, partikelsammansättning et cetera) och utskjutningsmekanismen, som till exempel amplituden och formen hos kraftpulsen som driver fluiden ut ur öppningen. Jämförelser med experiment där dispensering av komplexa fluider har filmats med höghas-tighetskamera kommer att ske kontinuerligt som beräkningar genomförs. Nästa steg (år 3-4) innebär en jämförelse med nya experiment med utrustning med högre upplösning och bildtagningsfrekvens. Den andra delen av projektet syftar till att utnyttja de lärdomar som har vunnits i den första delen för att undersöka möjligheten att minimera den dispenserade volymen med bibehållen precision gällande volym, skotthastighet och form på skottet, genom modifieringar av vätskans reologiska egenskaper, nozzelns geometri och vågformen för själva utformningen. Skräddarsydda vätskor kan tillverkas av Prof. Lius grupp på Chalmers och nya nozzlar och utskjutningsstrategier kan möjliggöras av Dr. Mårtensson på Micronic Mydata. Det har visat sig att att liknande samarbeten mellan industrin och akademien i besläktade ämnesområden resulterar i tydliga synergieffekter för båda parter, praktiskt realiserbara resultat för industrin och fundamental kunskap för den akademiska sidan. Det är vår avsikt att inte bara öka förståelsen av Micronic Mydatas specifika tillämpning, utan att öka kunskapsbasen för hel kunskapsområdet kring droppbildning, som omfattar bland annat tillämpningar inom biologi (lab-on-a-chip), nanoteknologi (solceller) och elektronik (3D-processorstrukturer). Arbetet väntas leda till resultat av sådan dignitet att de föranlåter minst fyra publika-tioner i välrenommerade journaler, som Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, två på det numeriska arbetet och minst ett vidareutvecklade dispenseringsmetoder. Simuleringarna och experimenten kommer även att presenteras på internationella konferenser inom strömningsmekanik, Vi har även planerat att anordna ett nationellt symposium för akademisk och industriella forskare intresserade av droppbildning av komplexa fluider.