Deposición continua de un filamento líquido sobre un sustrato plano en movimiento relativo. Estudio numérico y experimental

SEBASTIÁN UBAL; BOJUN XU; BRIAN DERBY; PAUL GRASSIA

Colnia del Sacramento

Congreso; XI Reunión sobre Recientes Avances en Física de Fluidos y sus Aplicaciones (Fluidos 2010); 2010

Universidad Nacional de la República

La deposición continua de un hilo de líquido sobre un sustrato sólido es un proceso que tiene aplicaciones que van desde la industria alimenticia hasta la electrónica impresa. El fluido de interés es extrudido desde una boquilla que se desplaza a corta distancia del sustrato. Puesto que existe un movimiento relativo entre ambos, el material inyectado va formando un filamento fluido a medida que se deposita sobre el sólido. El presente estudio de este proceso —numérico y experimental— está motivado principalmente en aplicaciones de electrónica impresa, en particular la fabricación de pistas conductoras de circuitos, proceso conocido como escritura directa, o más específicamente, escritura de bolígrafo. Típicamente, el proceso de producción de las pistas debe completarse con una etapa de curado de los filamentos líquidos depositados, ya sea en hornos o por medio de aplicación local de radiación láser o UV. El modelo considera que el fluido extrudido es Newtoniano e incompresible, y que la tensión superficial es constante. En la línea de contacto móvil, formada por la intersección de la interfase líquido-gas con el sólido, se adoptó una condición de deslizamiento para relajar la singularidad, y se supuso un ángulo de contacto variable con la velocidad de deslizamiento, de acuerdo a una expresión empírica basada en mediciones experimentales propias. Las ecuaciones gobernantes —Navier-Stokes y continuidad— se resolvieron en un dominio 3D desconocido a priori utilizando un software comercial, Comsol Multiphysics. Por otra parte, el proceso también fue estudiado experimentalmente. El montaje utilizado permitió registrar en video la deposición del hilo de líquido, con vistas en planta y laterales. Un tratamiento digital de las imágenes obtenidas permitió además extraer la forma del perfil de la superficie libre y de la línea de contacto. Se obtuvieron resultados, tanto numéricos como experimentales, para valores de los parámetros típicos de aplicaciones prácticas. Ambos fueron contrastados satisfactoriamente. Además, se exploró numéricamente el espacio de parámetros caudal–altura de boquilla, encontrándose un caudal mínimo —el cual se incrementa con la distancia boquilla–sustrato— por debajo del cual no se encontraron soluciones estacionarias. Finalmente, se encontró que las soluciones correspondientes al caudal mínimo eran estables frente a una perturbación en el caudal.