Trocknen: Vorhersage der Ablagerungen bei trocknenden Suspensionen

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Der Kaffeering-Effekt ist ein weithin bekanntes Phänomen: Geht ein Tropfen Kaffee daneben, so entstehen anschließend häufig unschöne ringförmige Ablagerungen. Dieser alltägliche Effekt kann auch für technische Anwendungen von Interesse sein, wie z.B. beim Erzeugen kleinster leitfähiger Strukturen für die Mikroelektronik im Tintenstrahl-Druckverfahren.

So werden z.B. für RFID-Anwendungen feine Leiterbahnen auf dünne Substrate gedruckt und anschließend gesintert. Die hierbei eingesetzten Tinten sind Suspensionen metallischer Partikel, deren Feststoffgehalt sich auf dem Substrat ablagert und so eine Leiterbahn erzeugt. Für die Qualität dieser gedruckten Leiterbahnen ist eine homogene Struktur mit hoher Leitfähigkeit eine maßgebliche Eigenschaft.

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Problemstellung

Beim Entstehen eines Kaffeerings sind dieselben Sedimentationsprozesse zu beobachten, die auch beim Drucken komplexer Strukturen die Eigenschaften der Ablagerungen bestimmen. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Projekts ein Simulationsmodell entwickelt, welches die Entstehung solcher dreidimensionaler Ringstrukturen in Abhängigkeit der Prozessparameter beschreibt.

Für das Sedimentationsverhalten der suspendierten Partikel sind mehrere Effekte verantwortlich: Hervorgerufen durch Temperaturunterschiede an der Tropfenoberfläche ist die Verdunstungsrate im Randbereich des Tropfens höher als in der Mitte, was eine Strömung der Trägerflüssigkeit und damit auch der Partikel zum Rand hin induziert. Diese Temperaturgradienten können aber je nach Flüssigkeit auch eine oberflächennahe Strömung zurück ins Tropfeninnere hervorrufen, was eine Ringbildung ebenso verringert wie Partikeldiffusion im Inneren des Tropfens. Ausschlaggebend für die tatsächlich auftretenden Ablagerungen ist insbesondere die Relation dieser Effekte zueinander.

Fraunhofer IWM: Simulation der Trocknung  metallischer Suspensionen. Das Sedimentationsverhalten und die Kaffeeringbildung sind klar ersichtlich
Simulation der Trocknung metallischer Suspensionen. Das Sedimentationsverhalten und die Kaffeeringbildung sind klar ersichtlich.

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Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die Struktur der entstehenden Ablagerungen vorhersagt. Hierfür wurde ein analytisches Modell der Strömung innerhalb eines trocknenden Tröpfchens mit einer expliziten Simulationsmethode der Partikelbewegungen gekoppelt. Diese DEM Simulation beinhaltet die Interaktionen zwischen den einzelnen Partikeln über Kontaktkräfte, sterische, elektrostatische und van-der-Waals-Kräfte (DLVO-Theorie) sowie eine Brownsche Bewegung.

Diese einfache aber sehr effiziente Methode erlaubt es, bereits im Vorfeld experimenteller Untersuchungen die  Struktur der entstehenden Ablagerungen zu beurteilen und so die Prozessentwicklung zu beschleunigen.

Fraunhofer IWM: Rückstände nach dem Trocknungsvorgang: Ein Vergleich von Experiment und Simulation. Die kritische Tropfengröße "Dc" markiert die Grenze, ab welcher eine Ringbildung auftritt
Rückstände nach dem Trocknungsvorgang: Ein Vergleich von Experiment (oben) und Simulation (unten). Die kritische Tropfengröße "Dc" markiert die Grenze, ab welcher eine Ringbildung auftritt.

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