Tesis:
Parametrization and simulation of blister-actuated laser-induced forward transfer (BA-LIFT) and LIFT for high-viscosity pastes
- Autor: MORENO LABELLA, Juan José
- Título: Parametrization and simulation of blister-actuated laser-induced forward transfer (BA-LIFT) and LIFT for high-viscosity pastes
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: FISICA APLICABLE E INGENIERIA DE MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69346/
- Director/a 1º: MORALES FURIÓ, Miguel
- Resumen: Laser-Induced Forward Transfer techniques are part of the additive direct-write processes fo-cused on the transference of a material, either solid or liquid, towards an acceptor substrate. The start-ing point of this work was the elaboration of an intensive bibliographic review to take the knowledge of the state of the art. Besides, the study of the Finite-Elements Method (FEM) was necessary to accom-plish the modeling of the LIFT processes. Two main techniques have been studied during the time of this thesis: Blister-Actuated LIFT (BA-LIFT), within the techniques that involve an intermediate layer, and LIFT for high-viscosity pastes, part of the direct-interaction LIFT techniques. In Blister-Actuated Laser-Induced Forward Transfer (BA-LIFT), a laser pulse generates a blister in an intermediate polyimide layer to push away the fluid. The process is too quick and small to directly observe it, so a Phase Field model is proposed in COMSOL Multiphysics to study the transference mechanisms. The starting model was only able to reproduce the jet formation and its growth, but it was enough to understand the main dynamics of the process. The input parameters for the model are thought to match the operating experimental parameters. The energy pulse parameter rules the size of the formed blister, and it is needed some image calibration to assess its dependency on the laser pulse energy. When the simulations and the experimental shadowgraphy images for BA-LIFT of water-glyc-erol mixtures were compared, the model did not explain some secondary effects in the jet expansion that had already been described in other LIFT techniques and associated with the cavitation of a ther-mally generated vapor bubble. The transference mechanism in BA-LIFT is ideally only mechanical –and not thermal– because of the characteristic times of each process and the presence of the intermedi-ate polyimide layer that avoids the direct interaction between the laser and the fluid. The evolution of the blister over time makes the numerical model reproduce the expansion of the main jet. Assuming the existence of a cavitation bubble analogous to that one that appears in other LIFT techniques with direct interaction, and only introducing its effects in the model as a second push at 9 μs after the start of the transference, the model also reproduces the secondary effects. Four possible causes of the second push have been studied: absorption of the laser pulse in the fluid, thermal conduc-tion through the polyimide layer, a mechanical rebound of the elastically deformed blister, or pressure fall due to fluid velocity. After the analysis, the first three explanations have been rejected, and a hy-pothesis is proposed: the velocity field generated by the blister produces a cavitation bubble in the in-terface between the polyimide layer and the fluid, whose effects would be the same as the cavitation of the vapor bubble in other LIFT techniques. Once the dynamics are reproduced by the model, the existence of the supposed bubble was sought. For that study, the BA-LIFT setup was modified to avoid the interface effects that distort the acquired images. Setting a much bigger fluid layer in front of the blister –considered infinite as no jet is created and only the dynamics in the interface are observed–, images of bubbles were taken within the water mass. These new images were studied to evaluate the hypothesis previously presented. Secondly, the Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) for high-viscosity –of Pa·s– pastes differ from standard LIFT processes in its dynamics. In most techniques, the transference after setting a great gap does not modify the shape acquired by the fluid, so it stretches until it breaks into droplets. In contrast, there is no transferred material when the gap is bigger than three times the paste thickness in LIFT for high-viscosity pastes, and only a spray is observed on the acceptor using this configuration. Through a new Phase-Field FEM-CFD model, the dynamics of the paste have been, and the behavior of the paste varying the gap between the donor and the acceptor substrates has been modeled. The paste bursts for great gaps, but it is confined when the acceptor is placed close enough. The obtained simu-lations have been compared with a previous work, in which the paste structures were photographed. The analysis of the simulations in terms of speed allows for predicting the burst of the paste –spray regime– and the construction of a printability map regarding the gap between the substrates. ----------RESUMEN---------- Las técnicas de transferencia directa inducidas por láser (LIFT, del inglés Laser-Induced Forward Transfer) son un grupo de procesos aditivos de escritura directa centrados en la transferencia de un material, ya sea sólido o líquido, hacia un sustrato aceptor. El punto de partida de este trabajo fue la elaboración de una revisión bibliográfica intensiva para adquirir conocimiento sobre el estado del arte. Además, el estudio del Método de Elementos Finitos (FEM) fue necesario para lograr el modelado de los procesos LIFT. Se han estudiado dos técnicas principales durante el tiempo de esta tesis: LIFT Ac-tuado por Blister (BA-LIFT), dentro de las técnicas que involucran una capa intermedia, y LIFT para pastas de alta viscosidad, parte de las técnicas LIFT de interacción directa. En los procesos de transferencia directa inducida por láser asistida por capa polimérica deforma-ble (BA-LIFT, del inglés Blister-Actuated LIFT), un pulso de láser genera una pequeña ampolla en una capa intermedia de poliimida para iniciar la transferencia del fluido. Debido a la velocidad a la que ocu-rre la transferencia y al tamaño microscópico del proceso, se propone un modelo de campo de fase (Phase-Field) en COMSOL Multiphysics para estudiar los mecanismos de transferencia. El modelo de partida solo reproducía la formación del chorro de fluido transferido y su evolución, pero fue suficiente para comprender la dinámica principal del proceso. El estudio de la formación de la ampolla que inicia el proceso permitió calibrar su dependencia de la energía del pulso láser. Cuando se compararon las simulaciones y las imágenes tomada mediante sombra (en inglés, sha-dowgraphy) para BA-LIFT de mezclas de agua-glicerol, el modelo no explicaba algunos efectos secun-darios que aparecían durante la expansión del chorro, y que ya habían sido descritos en otras técnicas de LIFT, asociándolos a la cavitación de una burbuja generada térmicamente. El mecanismo de trans-ferencia en BA-LIFT es idealmente solo mecánico –y no térmico– debido a los tiempos característicos de cada proceso y la presencia de la capa intermedia de poliimida, que evita la interacción directa entre el láser y el fluido. Suponiendo la existencia de una burbuja de cavitación análoga a la que aparece en otras técnicas LIFT con interacción directa, e introduciendo tan sólo sus efectos en el modelo, éste podía reproducir la dinámica del fluido observada en imágenes. Un segundo impulso añadido 9 μs después del inicio de la transferencia reproduce esos efectos secundarios. Se estudiaron cuatro posibles causas del segundo empujón: absorción del pulso láser en el fluido, conducción térmica a través de la capa de poliimida, rebote mecánico de la ampolla deformada elásticamente o caída de presión debido a la velocidad del fluido. Tras el análisis, se rechazaron las tres primeras explicaciones, y se propone una hipótesis: el campo de velocidad generado por la ampolla produce una burbuja de cavitación en la interfaz entre la capa de poliimida y el fluido, cuyos efectos serían los mismos que la cavitación de la burbuja que aparece en otras técnicas LIFT. Una vez que la dinámica es reproducida por el modelo, se buscó la existencia de la burbuja su-puesta. Para ese estudio, se modificó la configuración de BA-LIFT para evitar los efectos de interfaz que distorsionan las imágenes adquiridas. Colocando una capa de fluido mucho mayor frente a la ampolla –considerada infinita ya que no se crea ningún chorro y sólo se observa la dinámica del fluido en la interfaz–, se tomaron imágenes de burbujas dentro de la masa de agua. Estas nuevas imágenes permitie-ron validar la hipótesis presentada anteriormente. En segundo lugar, la transferencia directa inducida por láser (LIFT) para pastas de alta viscosidad –del orden de Pa·s– se diferencia de los procesos LIFT estándar en su dinámica. En la mayoría de las técnicas, la transferencia cuando se establece una separación grande entre los dos substratos no modifica la forma que adquiere el fluido, por lo que se estira hasta romperse en pequeñas gotas. Por el contrario, en LIFT para pastas de alta viscosidad no hay material transferido cuando el espacio es mayor que tres veces el espesor de la pasta, y solo se observa una pulverización en el substrato aceptor. A través de un nuevo modelo de elementos finitos de campo de fase (Phase-Field FEM-CFD), se modeló la dinámica de la pasta y el comportamiento de ésta variando la separación entre los sustratos donante y aceptor. La pasta explota para grandes separaciones, pero queda confinada cuando el aceptor se coloca suficiente-mente cerca. Las simulaciones obtenidas se han comparado con un trabajo anterior, en el que se foto-grafiaron las estructuras de la pasta. El análisis de las simulaciones en términos de velocidad permite predecir la ruptura explosiva de la pasta –régimen de pulverizado– y la construcción de un mapa de imprimibilidad según la separación entre los sustratos.