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Numerical Simulation of Coupled Wetting and Transport Phenomena in Inkjet Printing

Antritter, Thomas (2022)
Numerical Simulation of Coupled Wetting and Transport Phenomena in Inkjet Printing.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021326
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Inkjet printing is a complex process including coupled wetting, heat and species transport. The print quality depends on accurate positioning of ink droplets and correct dot sizes. Temperature differences between printhead and substrate give rise to heat transfer upon droplet impact. Furthermore, inks are complex fluids containing, among other components, surface-active substances. The aim of this thesis is to develop an improved understanding of the coupled transport processes and to derive recommendations for increased print quality. For that purpose, individual droplets impacting a solid substrate are studied. Furthermore, the off-centered collision of an impacting droplet with a previously applied neighboring droplet is investigated. Droplet impact, spreading, and substrate-sided collision are studied using numerical simulation. The algebraic volume of fluid method is used to describe the two-phase flow. Special focus is put on the evaluation of interfacial forces. The contact line dynamics are described using a subgrid-scale model in combination with localized slip. The model is validated for droplet impact and substrate-sided collision using experimental data. Heat transfer between fluids and solid is taken into account. Furthermore, a novel two-field approach for the description of a soluble surface-active substance is introduced. Using analytical and numerical reference solutions, the method is verified regarding transport of this surfactant with and along the interface, adsorption to the interface, and conservation of the surfactant amount. Simulation results for the impact and spreading of individual droplets show an influence of the ink's viscosity throughout the entire process. Lower viscosity due to increased temperature produces faster spreading. It is found that within the capillary-driven regime the influence of the initial droplet temperature is small compared to the initial substrate temperature. For surfactant-laden droplets spreading over a partially wettable substrate, an additional adsorption-limited spreading regime is observed. Increasing the rate of adsorption to the liquid-gas interface results in faster spreading within this regime. Simulations of the collision of an impacting droplet with a previously applied neighboring droplet on the substrate show an offset of the coalesced droplets towards the first droplet. This offset persists well into the capillary-driven spreading regime. It can be attributed to a flow from the second to the first droplet driven by a larger Laplace pressure jump across the interface in the region of the second droplet. Increasing the impact velocity or decreasing the droplet interval reduces this asymmetry and consequently the offset. In contrast to that, the influence of initial droplet temperatures as well as surfactant concentrations on droplet position after collision is found to be small. Nevertheless, the simulation results for the collision of surfactant-laden droplets show that increasing the surfactant concentration results in further spreading on partially wetting substrates, similar to what is also observed for individual droplets.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2022
Creators: Antritter, Thomas
Type of entry: Primary publication
Title: Numerical Simulation of Coupled Wetting and Transport Phenomena in Inkjet Printing
Language: English
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Bothe, Prof. Dr. Dieter ; Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 171 Seiten
Refereed: 23 February 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021326
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21326
Abstract:

Inkjet printing is a complex process including coupled wetting, heat and species transport. The print quality depends on accurate positioning of ink droplets and correct dot sizes. Temperature differences between printhead and substrate give rise to heat transfer upon droplet impact. Furthermore, inks are complex fluids containing, among other components, surface-active substances. The aim of this thesis is to develop an improved understanding of the coupled transport processes and to derive recommendations for increased print quality. For that purpose, individual droplets impacting a solid substrate are studied. Furthermore, the off-centered collision of an impacting droplet with a previously applied neighboring droplet is investigated. Droplet impact, spreading, and substrate-sided collision are studied using numerical simulation. The algebraic volume of fluid method is used to describe the two-phase flow. Special focus is put on the evaluation of interfacial forces. The contact line dynamics are described using a subgrid-scale model in combination with localized slip. The model is validated for droplet impact and substrate-sided collision using experimental data. Heat transfer between fluids and solid is taken into account. Furthermore, a novel two-field approach for the description of a soluble surface-active substance is introduced. Using analytical and numerical reference solutions, the method is verified regarding transport of this surfactant with and along the interface, adsorption to the interface, and conservation of the surfactant amount. Simulation results for the impact and spreading of individual droplets show an influence of the ink's viscosity throughout the entire process. Lower viscosity due to increased temperature produces faster spreading. It is found that within the capillary-driven regime the influence of the initial droplet temperature is small compared to the initial substrate temperature. For surfactant-laden droplets spreading over a partially wettable substrate, an additional adsorption-limited spreading regime is observed. Increasing the rate of adsorption to the liquid-gas interface results in faster spreading within this regime. Simulations of the collision of an impacting droplet with a previously applied neighboring droplet on the substrate show an offset of the coalesced droplets towards the first droplet. This offset persists well into the capillary-driven spreading regime. It can be attributed to a flow from the second to the first droplet driven by a larger Laplace pressure jump across the interface in the region of the second droplet. Increasing the impact velocity or decreasing the droplet interval reduces this asymmetry and consequently the offset. In contrast to that, the influence of initial droplet temperatures as well as surfactant concentrations on droplet position after collision is found to be small. Nevertheless, the simulation results for the collision of surfactant-laden droplets show that increasing the surfactant concentration results in further spreading on partially wetting substrates, similar to what is also observed for individual droplets.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Der Tintenstrahl-Druckprozess ist ein komplexes Verfahren, das gekoppelte Benetzungs-, Wärme- und Stofftransportvorgänge beinhaltet. Die Druckqualität hängt dabei von der genauen Positionierung von Tintentröpfchen und korrekten Punktgrößen ab. Temperaturunterschiede zwischen Druckkopf und Substrat führen zu Wärmeübertragung beim Tropfenaufprall. Tinten sind außerdem komplexe Fluide, welche neben anderen Komponenten auch oberflächenaktive Substanzen beinhalten. Ziel dieser Dissertation ist es, ein verbessertes Verständnis der gekoppelten Transportvorgänge zu entwickeln und Empfehlungen für verbesserte Druckqualität abzuleiten. Zu diesem Zweck wird der Aufprall einzelner Tröpfchen auf ein festes Substrat betrachtet. Des Weiteren wird die außermittige Kollision eines auftreffenden Tröpfchens mit einem zuvor applizierten Nachbartröpfchen untersucht. Tröpfchenaufprall, -ausbreitung und substratseitige -kollision werden mittels numerischer Simulation untersucht. Die algebraische Volume-of-Fluid-Methode wird dabei zur Beschreibung der Zweiphasenströmung angewandt. Besonderes Augenmerk wird auf die Auswertung der Grenzflächenkräfte gelegt. Die Kontaktliniendynamik wird durch ein Subgridskalenmodell in Kombination mit lokalem Schlupf beschrieben. Anhand von experimentellen Daten wird das Modell für Tröpfchenaufprall und substratseitige -kollision validiert. Wärmeübertragung zwischen Fluiden und Festkörper wird mitberücksichtigt. Außerdem wird ein neuer Zwei-Feld-Ansatz zur Beschreibung einer löslichen oberflächenaktiven Substanz eingeführt. Anhand von analytischen und numerischen Referenzlösungen wird die Methode hinsichtlich des Transports dieses Tensids mit und entlang der Phasengrenzfläche, der Adsorption an die Phasengrenzfläche sowie der Erhaltung der Tensidmenge verifiziert. Simulationsergebnisse zu Aufprall und Ausbreitung einzelner Tröpfchen zeigen einen Einfluss der Tintenviskosität für den gesamten Prozess. Niedrigere Viskosität aufgrund von erhöhter Temperatur führt zu schnellerer Ausbreitung. Es zeigt sich, dass innerhalb des kapillaren Benetzungsregimes der Einfluss der anfänglichen Tröpfchentemperatur gering ist verglichen mit der anfänglichen Substrattemperatur. Bei der Ausbreitung tensidhaltiger Tröpfchen über ein unvollständig benetzbares Substrat wird ein zusätzliches adsorptionslimitiertes Benetzungsregime beobachtet. Eine Erhöhung der Adsorptionsrate an die Phasengrenzfläche Flüssigkeit-Gas führt zu schnellerer Ausbreitung innerhalb dieses Regimes. Simulationen der Kollision eines auftreffenden Tröpfchens mit einem zuvor applizierten Nachbartröpfchen auf dem Substrat zeigen einen Versatz der vereinigten Tröpfchen in Richtung des ersten Tröpfchens. Dieser Versatz bleibt weit in das kapillargetriebene Regime bestehen. Er kann auf eine Strömung vom zweiten zum ersten Tröpfchen zurückgeführt werden, die durch einen größeren Laplace-Drucksprung über die Phasengrenzfläche im Bereich des zweiten Tröpfchens getrieben wird. Eine Erhöhung der Auftreffgeschwindigkeit oder eine Verringerung des Tröpfchenintervalls verringern diese Asymmetrie und folglich den Versatz. Im Gegensatz dazu wird nur ein geringer Einfluss der anfänglichen Tröpfchentemperaturen sowie der Tensidkonzentrationen auf die Position der kollidierten Tröpfchen beobachtet. Dennoch zeigen die Simulationsergebnisse zur Kollision tensidhaltiger Tröpfchen mit größer werdender Tensidkonzentration weitere Ausbreitung auf unvollständig benetzenden Substraten, ähnlich der Beobachtungen, die für einzelne Tröpfchen gemacht werden.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-213267
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Interfacial Transport & Complex Wetting
Date Deposited: 27 Jun 2022 12:28
Last Modified: 14 Nov 2022 10:52
PPN: 496579894
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Bothe, Prof. Dr. Dieter ; Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 February 2022
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