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染整工艺
外文翻译
2012届
分散染料印花工艺因素对印花
织物发色的影响
学生姓名卯玉琼
学号08139125
院系纺织服装学院
专业轻化工程
指导教师刘越
填写日期2010年1月12日
网板印花过程的非牛顿流体动力学
的计算研究*
GPGlinski,CBailey和KAPerclecous
摘要
这篇文章主要描述了模拟网板印花中刮刀移动前端浆料的宏观行为的非牛顿流体动力学的计算。
网板印花过程中的成功是依靠于许多工艺参数的相互作用,对这些参数更好的理解是需要确定最优工艺与印花质量的关系。
各种不同的模拟技术都提高对糊料流动行为的分析能力,包括对糊料整体质量的宏观研究和个别的联结颗粒悬浮在载流体中的行为的微观结构分析。
这篇文章是建立在从早期解析模型和流体动力学的计算的调查报告,考虑到在之前的宏观研究中忽略了糊料的非牛顿粘体的流变性的重要性。
从牛顿和非牛顿流体动力学的计算模拟和评估对现行的解析模型的建立中获得的压力和速率分布所观察到的结果差异证实了非牛顿粘体特性模型对于糊料的流动行为的实际意义。
关键词:
糊料网板印花流体动力学的计算有限容量方法非牛顿粘体重介质悬浮液
1.标记
k实验中使用确定不变的交叉模型Sx在X方向上的体积力的总和
m实验中使用的确定不变的交叉模型t时间
P压强uX方向上的分速度
P网板上的压强vy方向上的分速度
r沿网板表面到刮刀尖端的距离V网板速度
应切速率V速度结果
粘度为零的剪切速率
表观粘度
网板角
粘度无穷大时的剪切速率
移动性
密度
这篇MS是在1999年11月22接收并在2000年6月15日修订后出版后被接收,相应的作者:
英国伦敦SE10.9LS30ParkROW格林威志大学计算和数学科学学院数字模拟和过程分析中心
1.简介
对必要参数影响的更好的理解是影响沉积在印花板上的粘合剂的质量可以优化网板印花过程,并降低粘合失败时回流的发生。
对粘合剂糊料的流动性的分析可能分为大规模宏观的和小规模微观研究,大规模的研究分析提供流动的宏观行为数据,例如:
对于被刮刀推到网板表面的流体的压强和速度分布,小规模的研究集中在糊料的一小部分,决定流变行为或模拟个别粘合剂微粒的运动涉及到小型网板几何体。
在小型网板几何体上决定流变行为或模拟小部分糊料的个别粘合剂微粒的运动。
这样糊料行为的模拟在微观结构的水平上要求实际的边界条件从总体行为的宏观研究在长度尺度的分析方法之间存在相当大的差距,在某种程度上由于宏观调查没有考虑到非牛顿粘体的临界效应或已经在其他异性材料性能的印花油墨的应用领域有所发展,发展循序渐进的流体动力学计算的一部分是模拟逼真宏观和微观水平上的粘合剂糊料,并建立一个单一框架长度尺度之间的实际差距。
这项工作的第一阶段,本文提出通过模拟非牛顿粘体的流变特性加深对体积糊料流动行为的理解。
实验数据表示剪切速率与糊料粘度有关。
首先,模拟糊料流体动力学的计算结果一样,通过比较牛顿特性的预测和Riemer分析模型的预测。
非牛顿流体特性后来被应用到模拟流体动力学的计算和比较牛顿特性结果的研究。
这些发现表明宏观研究理想化,对假设牛顿行为和实际中非牛顿粘体的流动也只能提供一个非常粗略的指导。
网板印花过程
网板印花过程目的在于将浆料印制在准确的印花网板的准确位置和浆料的再回流。
这个过程包括用刮刀将浆料推动到网板上,浆料被填入到网板的网孔中,在与刮刀紧密接触时在大部分区域产生较大的压强(如图1),这些孔洞恰好与PCB上的模型重合,随着刮刀的移动网板与PCB分开,由于浆料附着在金属垫片上的粘附力强于浆料粘附在孔壁上的粘附力。
浆料被留在所需的位置上粘着发生回流紧密接触。
印花工艺后,在PCB的元件上产生的热量导致,粘合剂微粒融化后再凝固形成粘合剂。
粘合剂是一种稠密的粘合混合颗粒,在液体媒介中,这种介质由流体、流体激活剂和各种溶剂组成。
浆料的全部组成显示非牛顿流变的特性的剪切降粘特性行为也就是随着剪切速率的增加粘度下降,低粘度浆料流入到孔洞中,当移动刮刀使剪切速率升高,网板再移动后,剪切力消失后粘度迅速升高,,这使得浆料保持在PCB上。
图1网板印花的原理图解(不按比例)
决定印花质量的要素是由后来粘合剂回流的成功来决定,糊料的沉积在可接受的标准内困难地去获得由于组成小间距尺寸的困难,和回应环境要求的浆料的发展。
机器的设定例如刮刀速度,刮刀的角度,压力和糊料组分流变行为影响印花的结果,其他重要的变量包括刮刀的材料和灵活性,网板厚度和制造方法,网孔的轮廓,方向和长宽比还有组分的表面光洁度,问题导致一个不能接受的印花质量可能会发生在孔洞被填充的过程中和浆料从网板上刮下时,例如:
有同一个问题漏花,或者是刮浆过程中浆料不足而造成浆料沉积在孔洞中,或者是浆料的部分从网板上刮下,都导致在PCB上留下空白,临近的浆料沉积物进入与相互之间接触由于浆料在丝网压迫下在刮刀刮动过程中或浆料在最后过程中落下时接连发生。
模拟印花的过程
各种分析技术,包括分析模型和数字模拟,已经被使用在研究印花过程的不同方面以求提高临界参数以致于影响印花效果,这样的研究对于浆料的行为作出了重要的贡献,但是研究工作仍然需要这些方法的进一步发展为工艺最优化提供更可靠的指导方法。
由于极端复杂相互作用的参与,确定特殊的影响不同任何一个单独控制的工艺参数是非常困难的,没有考虑到所有其他的临界的因素,印花过程的理解已经从各种不同的分析方法中收集信息发展而来。
丝网网孔能在某种情况下只是五个粒子直径的宽度,因此仿真模型网孔填充过程和网板的移除不能不忽视个别的浆料粒子的微观结构动力学。
甘露聚糖等描述粒子尺寸是怎样分配的,粒子压缩和聚集的形成能在很大程度上影响其特性和浆料的流动行为。
在印花筛网过程中产生的效果肯呢个包括网孔开放的阻塞,防止浆料粒子进入网孔,颗粒聚集的发生也能引起例如墙体滑落和塞流的现象,归因于液体润滑薄层的形成。
悬浮体颗粒的微观结构动力学和颗粒聚集的影响已经在固体表面用Stokesian动力学去决定宏观流变性,这能平均更大体积的电脑模拟技术,也以粒子动力学为基础已经发展到分析在孔洞中的浆料的行为方式。
印花过程的微观研究的边界条件要求真实的数据建立在整个浆料质量的宏观流动条件下,尤其是在网板表面,宏观流变特性例如压强,速率,应变速率和粘度,这是非常困难的,如果这不是完全不可能在实验上去测量,在刮刀刮动过程中,但能预测的是利用分析或CFD方法,除了提供边界条件以供小规模研究。
这样的数据也可以帮助了解实验观测相关性。
在过程操作参数之间,例如刮刀角度和速率,由此来得出印花质量。
Riemer的分析模型,最初发展是因为非接触式油墨滤网印花的分析,提供移动刮刀前端的压力分布关系。
该模型已经应用于浆料印花过程,提供一个有价值的向导去找到流动条件,沿丝网表面压力分布为:
P为压强为表观粘度,v是刮刀速度,为刮刀角度,r为到刮刀顶端的距离。
在为数不多以前的流体动力学的计算研究中,由Hannaham等人完成的体积流体行为[6],这项研究决定了压强剪切应力分布的关系和浆料与空气界面表面自由能的动态,对于一种假定为牛顿特性的浆料,目前有许多领域为改进数据由CFD模拟方法提供朝浆料流动行为更实际表现的方向发展,一个最迫切的改进是需要去模拟与应变速率紧密联系的非牛顿特性的浆料。
CFD研究已经着手于这个要求和试样结果和与牛顿特性研究的比较呈现在这篇文章中。
4.方程式调整
流体动力学能描述地解释通过一个系列的基于质量守恒定律和动量守恒定律的偏微分方程。
这些方程,称为Navier-Stokes方程,即可用以解决只有少数简单的条件,对于复杂的流体流动行为,这些方程需要利用CFD技术进行数值求解例如有限体积法。
根据质量守恒原理在一个固定的流体元素中,质量的增长速率等于大规模的流程元素质量的净速率。
方程式如下:
(2)
为密度,t是时间v是速度
含X动量守恒方程式如下:
为密度,P为压强为表观粘度u是x的分速度,Sx为体积力的总和。
例如:
重力在x方向上,y,z的动量方程式是相似的,任何的特性都有待解决,动量,温度,浓度等可以通过普通的方程来进行相似的描述。
为移动性
实验中有限体积法包含使区域离散,对简单几何学的单个组分提出了疑问称为有限体积,Nivier-Stokes方程被离解为单个组分,以致于分方程组将所有组分和这些区域连接起来,然后系统方程的数值求解例如SIMPLE[14]或者SIMPLEC[15],速度和压强交替和反复修正从最初的猜测结果,普遍的transport方程适合任何transported特性,,然后求解,这个值是在迭代方程最后进行校正的。
溶液聚合给出压强、速度和其他transported特性在每一部分的中心建立流体域。
上述方程是正确的对于恒粘的牛顿流体,非牛顿流体特性是被在每个部分的确定应变速率合并,从速度梯度在每次迭代求解过程的最后一步。
这些值曾被用来决定和校正每个部分的粘度,在计算下一个迭代方程时建立在相关的本质的模型。
应变率在两个纲量里通过通过下式计算“
5.方法(论)
浆料的运动时仿制4和用PHYSICA多重物理量的模拟计算框架,该软件利用有限量的方法提供,流动分析并提供适合环境去修正例如材料特性和自定义参数的包含物。
糊料的运动在这项研究中分析正如一个二维空间的稳态,单相问题,浆料被作为一种连续体因为其流变和物理性能平均超过一个大的区域。
5.1材料的性能
牛顿性浆料不存在于现实中,没单一值的粘度可能归因于糊料值取决于应变率。
应变率/粘度关系用于非牛顿模拟取自Ekere和Nguty的研究,这项研究提供了实验决定参数来与模型一起使用(方程6)适合于一系列不同的浆料来说
是表观粘度,v为应变速率,是粘度为零和无穷大时的剪切速率,K和m是实验中的确定参数,适合浆料试样用于在模拟粘度应变曲线如图2,粘度先达到最大值,为低粘度,曲线在应变速率超过一定范围后粘度很快达到平衡,粘度下降非常快在无穷的应变范围内降至最小值。
密度为5000kg/m3适合所有糊料样品。
m/sN粘度
应变速率)(s-1)
图2CFD模拟中粘度应变与糊料样品的关系图
5.2边界条件
浆料受到两直的刚性墙边界约束代表网板和刮刀表面,规定的边界代表浆料和空气界面(如图3)曲线边界假定代表的是零助力和坚硬的浆料/空气界面,这些介绍一些不精确在浆料/空气/网板的区域附近的接触点,由于流动行为局限于假设的界面形状。
然而,这个区域的流动条件被认为是临界的孔洞填充过程定位在刮刀网板接触点周围,初步实验研究的模拟界面作为一个表面表明:
为了理想化条件和参数都用以模拟,界面的形状或严格的边界假定有可忽略的临界区域。
放映在一个参考框架的运动观察者随着刮刀移动而移动,因此刮刀表层的速度设置为零,放映非滑动条件,网板表面移动是等速的与刮刀的速率相反,进行模拟时刮刀速度为2.0-8cm/s,刮刀角度与网板表面之间的模拟角度为30°、45°和60°.与Riemer的分析模型相比较牛顿模型可忽略重力因素。
对于其他的模拟来说重力加速度为9.81m/s2。
5.3网格
网格的使用是一种两极性的排列,尽管问题的分析仅限于通过PHYSICA软件的Cartesian坐标,好的三角形元素的非结构化网格,因此被用在角落区域延伸到从刮刀/网板接触点到1.0*10-4m处的距离(如图4b)。
这是必要的为了避免不适宜的狭窄的三角形区域部分和小角度会造成极性结构将维持在这一区域。
这些因素可能会导致溶液聚合问题或错误结果当使用Cartesian参照系时,网格的分级是如此以致于细网格达到壁面积的速度梯度在他们中最高,网格越细刮刀和网板接触点的压力梯度就会成倍增加,相似网格结构用于所有三叶片角。
6.结果与讨论
6.1牛顿CFD模拟的比较与分析解决方案
由于缺少可行分析,实验或数值流动数据以非牛顿粘体特性为基础,牛顿CFD模拟中第一次模拟是将沿网板表面的压强分布和从Riemer的分析模型中获得的预测相比较,初步的相同量的非牛顿CFD模拟表明了平均粘度大约为50Ns/m2.沿着墙表面至刮刀刀尖2mm处的以代表假设的牛顿特性这个值被任意恒量选择出来。
在图5中,三叶片刮刀的每一个都分别根据到刮刀尖端的距离进行压强分布,速度为2.0cm/s.
图3边界条件
GPGLINSKI,CBAILEYANDKAPERILEOUS
在Riemer的分析模型中重力是一致被忽略的因素,CFD的结果发现从分析曲线中有轻微分离略远于从刮刀刀端的距离。
事实上,网板/浆料/空气接触点是在大气压强下的,Riemer的分析模型是对于浆料很多很多的情况,因此压强不会降低可忽略大气到刮刀的距离。
可是,在这一区域的压强接近于刮刀刀端,刮刀刀端的曲线非常匹配,这被认为是最有意义并且是至关重要的控制因素。
图4网格(a)满格(b用在丝网刮刀接触点的三角形元素
网板表面的压强(Pa)
到刮刀刀端的距离(m)
图5牛顿粘体用CFD模型与Riemer分析模型得到结果的比较
由于被Riemer模型预测与到刮刀尖端的距离呈比例相关,当刮刀越接近理论值倾向于无穷大。
这在实际中是不可能的,超过接近刮刀尖端的点后,分析模型就越失效,实际中,压强被物理因素驱散,无论是否是被固体表面变形或是刮刀下或丝网下被压迫的浆料,三维空间的影响或任何其他的物理因素。
由于空间离散的获得在组分最接近刮刀刀端是一种有限的值,CFD的结果只能在分析曲线接近刮刀刀端,根据这个区域的网格密度,检查结果表明网格密度应用于该研究中产生的曲线非常接近分析模型得出的距离比到刮刀刀端的距离远1.0*10-4m.
这和精密间网板孔的宽度可能一样,最接近的结果可能是从最接近刮刀刀端的部分获得在这一区域网格的密度增加,然而,浆料的处理作为一种连续统一体是不太适当的,由于浆料在这一规模上的物理行为的分析由于浆料颗粒的尺寸直径大约从1.0*10-5m到2.0*10-5m大小不等比足够细的网格组分的大一些。
因此微观分析要求在这一规模上,能够准确地代表个别浆料颗粒的行为并且他们之间相互作用和环绕在固体组成的表面一样。
6.2非牛顿CFD模拟分析方案的比较
在图6中,沿网板表面的压强分布在刮刀角度为45°和速度为2.0cm/s时,从非牛顿CFD模拟试样中获得与Riemer的分析模型在恒定粘度下的模拟曲线与分析曲线穿过某一点但不是同一点。
曲线的不同程度取决于分析模型恒定粘度的选择参数,CFD模拟是和由于恒定粘度值的一种较广的范围的比较的分析结果,鉴于曲线一致的但没有任何可选择的值。
虽然被发现存在曲线匹配的恒定粘度的值,在没有相关的预测非牛顿粘体的结果的知识中并没有明显的方程通过这个值能被预测出来。
6.3牛顿与非牛顿CFD模拟的比较
在牛顿和非牛顿CFD模拟结果的可视化比较呈现在图7和图8中代表粘度矢量和压强等高线分别为60°刮刀角度和2.0cm/s的速度,这些模拟进行了重力应用。
观察到的一个显著不同在两种情况之间的浆料的行为。
在图9中应变速率位于浆料的弧形区域到刮刀刀端2mm处的恒定距离处到网板表面的角度绘图。
结果表明,到刮刀刀端的距离给定后最高粘度因此应变速率位于网板表面。
在非牛顿情况下,在网板表面的应变速率从最大值很快地下降到最小值在角度为15°时。
保留或接近颗粒层。
到刮刀刀端的距离(m)
网板表面的压强(Pa)
图6浆料CFD模拟结果和非牛顿Riemer分析模型粘体特性的比较
这个结果在丰富的流体层接近固体表面因此粘度较低,如果基本模型中相临颗粒层之间的应变力与粘度相关,则被认为是正确的,这可能是另一种关系要求实际表征条件是一个光滑表面。
靠近刮刀刀端的牛顿和非牛顿粘体的CFD分别的压强等高线显示如图8a和b中。
在牛顿粘体模型中压强等高线在临近刮刀刀端是一个光滑的弧线,而远一些的则分段,这表明流体动力学的强力增大相对的刮刀的移动和网板成比例地增大比重力对靠近刮刀刀端的增大要大。
重复模拟实验发现高恒粘值对延伸区域的平滑弧线有影响。
图7粘度矢量(a)牛顿粘体特性(b)非牛顿粘体特性
图8压强分布(a)牛顿型流体特性(b)非牛顿型流体特性
但是到刮刀表面的最小角度值,应变率与粘度关系如图2所示表明浆料的粘度增长非常快在浆料的内部大部分容量在高粘度时相对移动较慢,围绕着粘滞层的一个狭窄的区域在高应变速率,与丝网和刮刀表面毗邻,相反的,在牛顿粘体研究中应变速率的变化不仅更光滑而且更平缓,因为恒粘,没有快速变化的区域流动特性和观察到浆料更均匀地收缩。
到网板表面处的角度(°)
应变速率(s-1)
图9应变速率与到网板表面角度的关系图
在固体表面地应变速率在用一个连续模型去呈现重介质悬浮液时需小心浆料颗粒类似球形颗粒,因此固体表面球体排列在较大空间中充满液体比整个浆料地应变速率保持在相对恒定地值上。
在相似地应变速率下在网板表面上高粘度有更高地剪切应力,增加动量转移到液体中,因此流体动力成比例地增加对重力地影响,在分层区域呈现地流体运动是不实际的,因此指示边界呈现在浆料/空气界面表现出液体容器的特性,防止浆料离开刮刀。
这样的分层特点并不呈现在非牛顿模型研究中由于在流体动力影响大于重力影响的区域延伸到整个浆料质量,由于浆料粘度的快速增长在到组分表面一定距离内,在非牛顿模型曲线中观察到异样,并没有出现在牛顿粘体模拟曲线中,这些不同在牛顿粘体的压强区域发生在应变速率接近最小值和粘度梯度变得非常大。
7.结论
CFD模拟牛顿和非牛顿粘体特性的比较结果以Riemer的分析模型为基础。
从牛顿CFD分析中得到的压力分布曲线与临近区密切靠近刮刀端分析预测很接近。
在使用牛顿分析模型中是恒粘值的合理选择呈现非牛顿流体粘度不同时应变速率的显著不同。
没有假定塑性性能的被发现产生结果与非牛顿粘体的研究相匹配,使用牛顿模型时,非牛顿CFD与牛顿模拟和分析模型之间存在相当大的差异。
根据恒粘值的选择,压力分布曲线得到能穿过某一特定的点,但是要根据不同的适当的途径,牛顿模拟可能因此沿着网板的一个有限的区域提供一个粗略的压强趋势指导,但是这取决于一个适当的可估计的恒粘值。
这个恒粘值并没有以前的预测结果做指导。
在没有非牛顿粘体模拟和分析时,分析模型提供了最佳的流体行为和浆料卷曲中的压力分布的猜测,然而,在牛顿研究和非牛顿粘体研究中显著的差异是浆料流变特性的实际模型现在的方法是可用的。
这个结果体现在通过非牛顿材料特性的研究问题中提供朝着浆料流体行为的预测迈进了新的一步,但是对结果的分析由于浆料作为连续体的处理需谨慎,这些研究表明,提供了更多实际的边界条件在微观规模上浆料作为一种稠密的悬浮体行为的研究,通过迭代精密的方程,现在要求宏观分析和微观分析之间按实际的模拟结果以提供有用的数据给浆料制造商和电子包装工业。
8.进一步的研究
进一步研究将导向更先进的方法去模拟微观浆料行为去呈现结合个别浆料颗粒的行为观察和围绕在固体表面的载体流动和当浆料中心和网板孔洞流体性质从这些小规模的微观模拟浆提供更有用的数据并加入到更实际的非牛顿粘体连续的研究中,尤其是在额外的基本的关系中要求有代表性的条件以获得三维立体的研究,流固交互作用分析研究对于模拟永久表面变形需要改进。
参考文献:
(略)
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