Figure 4. Field gate discharge experiment.

FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures

하류 유압 구조물의 유동 특성 분석을 위한 FLOW-3D 모델 개발

Beom-Jin Kim ¹, Jae-Hong Hwang ² and Byunghyun Kim ³,*
¹ Advanced Structures and Seismic Safety Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute,
Daejeon 34057, Korea
² Korea Water Resources Corporation (K-Water), Daejeon 34350, Korea
³Department of Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

Correspondence: bhkimc@knu.ac.kr; Tel.: +82-53-950-7819

Abstract

Hydraulic structures installed in rivers inevitably create a water level difference between upstream and downstream regions. The potential energy due to this difference in water level is converted into kinetic energy, causing high-velocity flow and hydraulic jumps in the river. As a result, problems such as scouring and sloping downstream may occur around the hydraulic structures. In this study, a FLOW-3D model was constructed to perform a numerical analysis of the ChangnyeongHaman weir in the Republic of Korea. The constructed model was verified based on surface velocity measurements from a field gate operation experiment. In the simulation results, the flow discharge differed from the measured value by 9–15 m3/s, from which the accuracy was evaluated to be 82–87%. The flow velocity was evaluated with an accuracy of 92% from a difference of 0.01 to 0.16 m/s. Following this verification, a flow analysis of the hydraulic structures was performed according to boundary conditions and operation conditions for numerous scenarios. Since 2018, the ChangnyeongHaman weir gate has been fully opened due to the implementation of Korea’s eco-environmental policy; therefore, in this study, the actual gate operation history data prior to 2018 was applied and evaluated. The evaluation conditions were a 50% open gate condition and the flow discharge of two cases with a large difference in water level. As a result of the analysis, the actual operating conditions showed that the velocity and the Froude number were lower than the optimal conditions, confirming that the selected design was appropriate. It was also found that in the bed protection section, the average flow velocity was high when the water level difference was large, whereas the bottom velocity was high when the gate opening was large. Ultimately, through the reviewed status survey data in this study, the downstream flow characteristics of hydraulic structures along with adequacy verification techniques, optimal design techniques such as procedures for design, and important considerations were derived. Based on the current results, the constructed FLOW-3D-based model can be applied to creating or updating flow analysis guidelines for future repair and reinforcement measures as well as hydraulic structure design.

하천에 설치되는 수력구조물은 필연적으로 상류와 하류의 수위차를 발생시킨다. 이러한 수위차로 인한 위치에너지는 운동에너지로 변환되어 하천의 고속유동과 수압점프를 일으킨다. 그 결과 수력구조물 주변에서 하류의 세굴, 경사 등의 문제가 발생할 수 있다.

본 연구에서는 대한민국 창녕함안보의 수치해석을 위해 FLOW-3D 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 현장 게이트 작동 실험에서 표면 속도 측정을 기반으로 검증되었습니다.

시뮬레이션 결과에서 유량은 측정값과 9~15 m3/s 차이가 나고 정확도는 82~87%로 평가되었다. 유속은 0.01~0.16m/s의 차이에서 92%의 정확도로 평가되었습니다.

검증 후 다양한 시나리오에 대한 경계조건 및 운전조건에 따른 수리구조물의 유동해석을 수행하였다. 2018년부터 창녕함안보 문은 한국의 친환경 정책 시행으로 전면 개방되었습니다.

따라서 본 연구에서는 2018년 이전의 실제 게이트 운영 이력 데이터를 적용하여 평가하였다. 평가조건은 50% open gate 조건과 수위차가 큰 2가지 경우의 유수방류로 하였다. 해석 결과 실제 운전조건은 속도와 Froude수가 최적조건보다 낮아 선정된 설계가 적합함을 확인하였다.

또한 베드보호구간에서는 수위차가 크면 평균유속이 높고, 수문개구가 크면 저저유속이 높은 것으로 나타났다. 최종적으로 본 연구에서 검토한 실태조사 자료를 통해 적정성 검증기법과 함께 수력구조물의 하류 유동특성, 설계절차 등 최적 설계기법 및 중요 고려사항을 도출하였다.

현재의 결과를 바탕으로 구축된 FLOW-3D 기반 모델은 수력구조 설계뿐만 아니라 향후 보수 및 보강 조치를 위한 유동해석 가이드라인 생성 또는 업데이트에 적용할 수 있습니다.

Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.

Figure 2. Changnyeong-Haman weir depth survey results (June 2015)

Figure 16. Analysis results for Case 7 and Case 8

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Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

TianLi^abJ.M.T.Davies^aXiangzhenZhu^c
^aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
^bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
^cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF₆/CO₂, SF₆/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주물을 사용하여 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF6/CO2, SF6/공기)에서 생산되었습니다. AZ91 합금에 포함된 연행 결함의 진화 과정은 미세 조직 검사 및 열역학 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

Keywords

Magnesium alloy, Casting, Oxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

1. Introduction

As the lightest structural metal available on Earth, magnesium became one of the most attractive light metals over the last few decades. The magnesium industry has consequently experienced a rapid development in the last 20 years [1,2], indicating a large growth in demand for Mg alloys all over the world. Nowadays, the use of Mg alloys can be found in the fields of automobiles, aerospace, electronics and etc.[3,4]. It has been predicted that the global consumption of Mg metals will further increase in the future, especially in the automotive industry, as the energy efficiency requirement of both traditional and electric vehicles further push manufactures lightweight their design [3,5,6].

The sustained growth in demand for Mg alloys motivated a wide interest in the improvement of the quality and mechanical properties of Mg-alloy castings. During a Mg-alloy casting process, surface turbulence of the melt can lead to the entrapment of a doubled-over surface film containing a small quantity of the surrounding atmosphere, thus forming an entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) [7], [8], [9], [10]. The random size, quantity, orientation, and placement of entrainment defects are widely accepted to be significant factors linked to the variation of casting properties [7]. In addition, Peng et al. [11] found that entrained oxides films in AZ91 alloy melt acted as filters to Al₈Mn₅ particles, trapping them as they settle. Mackie et al. [12] further suggested that entrained oxide films can act to trawl the intermetallic particles, causing them to cluster and form extremely large defects. The clustering of intermetallic compounds made the entrainment defects more detrimental for the casting properties.

Most of the previous studies regarding entrainment defects were carried out on Al-alloys [7,[13], [14], [15], [16], [17], [18], and a few potential methods have been suggested for diminishing their negative effect on the quality of Al-alloy castings. Nyahumwa et al.,[16] shows that the void volume within entrainment defects could be reduced by a hot isostatic pressing (HIP) process. Campbell [7] suggested the entrained gas within the defects could be consumed due to reaction with the surrounding melt, which was further verified by Raiszedeh and Griffiths [19].The effect of the entrained gas consumption on the mechanical properties of Al-alloy castings has been investigated by [8,9], suggesting that the consumption of the entrained gas promoted the improvement of the casting reproducibility.

Compared with the investigation concerning the defects within Al-alloys, research into the entrainment defects within Mg-alloys has been significantly limited. The existence of entrainment defects has been demonstrated in Mg-alloy castings [20,21], but their behaviour, evolution, as well as entrained gas consumption are still not clear.

In a Mg-alloy casting process, the melt is usually protected by a cover gas to avoid magnesium ignition. The cavities of sand or investment moulds are accordingly required to be flushed with the cover gas prior to the melt pouring [22]. Therefore, the entrained gas within Mg-alloy castings should contain the cover gas used in the casting process, rather than air only, which may complicate the structure and evolution of the corresponding entrainment defects.

SF₆ is a typical cover gas widely used for Mg-alloy casting processes [23], [24], [25]. Although this cover gas has been restricted to use in European Mg-alloy foundries, a commercial report has pointed out that this cover is still popular in global Mg-alloy industry, especially in the countries which dominated the global Mg-alloy production, such as China, Brazil, India, etc. [26]. In addition, a survey in academic publications also showed that this cover gas was widely used in recent Mg-alloy studies [27]. The protective mechanism of SF₆ cover gas (i.e., the reaction between liquid Mg-alloy and SF₆ cover gas) has been investigated by several previous researchers, but the formation process of the surface oxide film is still not clearly understood, and even some published results are conflicting with each other. In early 1970s, Fruehling [28] found that the surface film formed under SF₆ was MgO mainly with traces of fluorides, and suggested that SF₆ was absorbed in the Mg-alloy surface film. Couling [29] further noticed that the absorbed SF₆ reacted with the Mg-alloy melt to form MgF₂. In last 20 years, different structures of the Mg-alloy surface films have been reported, as detailed below.(1)

Single-layered film. Cashion [30,31] used X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Spectroscopy (AES) to identify the surface film as MgO and MgF₂. He also found that composition of the film was constant throughout the thickness and the whole experimental holding time. The film observed by Cashion had a single-layered structure created from a holding time from 10 min to 100 min.(2)

Double-layered film. Aarstad et. al [32] reported a doubled-layered surface oxide film in 2003. They observed several well-distributed MgF₂ particles attached to the preliminary MgO film and grew until they covered 25–50% of the total surface area. The inward diffusion of F through the outer MgO film was the driving force for the evolution process. This double-layered structure was also supported by Xiong’s group [25,33] and Shih et al. [34].(3)

Triple-layered film. The triple-layered film and its evolution process were reported in 2002 by Pettersen [35]. Pettersen found that the initial surface film was a MgO phase and then gradually evolved to the stable MgF₂ phase by the inward diffusion of F. In the final stage, the film has a triple-layered structure with a thin O-rich interlayer between the thick top and bottom MgF₂ layers.(4)

Oxide film consisted of discrete particles. Wang et al [36] stirred the Mg-alloy surface film into the melt under a SF₆ cover gas, and then inspect the entrained surface film after the solidification. They found that the entrained surface films were not continues as the protective surface films reported by other researchers but composed of discrete particles. The young oxide film was composed of MgO nano-sized oxide particles, while the old oxide films consist of coarse particles (about 1 µm in average size) on one side that contained fluorides and nitrides.

The oxide films of a Mg-alloy melt surface or an entrained gas are both formed due to the reaction between liquid Mg-alloy and the cover gas, thus the above-mentioned research regarding the Mg-alloy surface film gives valuable insights into the evolution of entrainment defects. The protective mechanism of SF₆ cover gas (i.e., formation of a Mg-alloy surface film) therefore indicated a potential complicated evolution process of the corresponding entrainment defects.

However, it should be noted that the formation of a surface film on a Mg-alloy melt is in a different situation to the consumption of an entrained gas that is submerged into the melt. For example, a sufficient amount of cover gas was supported during the surface film formation in the studies previously mentioned, which suppressed the depletion of the cover gas. In contrast, the amount of entrained gas within a Mg-alloy melt is finite, and the entrained gas may become fully depleted. Mirak [37] introduced 3.5%SF₆/air bubbles into a pure Mg-alloy melt solidifying in a specially designed permanent mould. It was found that the gas bubbles were entirely consumed, and the corresponding oxide film was a mixture of MgO and MgF₂. However, the nucleation sites (such as the MgF₂ spots observed by Aarstad [32] and Xiong [25,33]) were not observed. Mirak also speculated that the MgF₂ formed prior to MgO in the oxide film based on the composition analysis, which was opposite to the surface film formation process reported in previous literatures (i.e., MgO formed prior to MgF₂). Mirak’s work indicated that the oxide-film formation of an entrained gas may be quite different from that of surface films, but he did not reveal the structure and evolution of the oxide films.

In addition, the use of carrier gas in the cover gases also influenced the reaction between the cover gas and the liquid Mg-alloy. SF₆/air required a higher content of SF₆ than did a SF₆/CO₂ carrier gas [38], to avoid the ignition of molten magnesium, revealing different gas-consumption rates. Liang et.al [39] suggested that carbon was formed in the surface film when CO₂ was used as a carrier gas, which was different from the films formed in SF₆/air. An investigation into Mg combustion [40] reported a detection of Mg₂C₃ in the Mg-alloy sample after burning in CO₂, which not only supported Liang’s results, but also indicated a potential formation of Mg carbides in double oxide film defects.

The work reported here is an investigation into the behaviour and evolution of entrainment defects formed in AZ91 Mg-alloy castings, protected by different cover gases (i.e., SF₆/air and SF₆/CO₂). These carrier gases have different protectability for liquid Mg alloy, which may be therefore associated with different consumption rates and evolution processes of the corresponding entrained gases. The effect of the entrained-gas consumption on the reproducibility of AZ91 castings was also studied.

2. Experiment

2.1. Melting and casting

Three kilograms AZ91 alloy was melted in a mild steel crucible at 700 ± 5 °C. The composition of the AZ91 alloy has been shown in Table 1. Prior to heating, all oxide scale on the ingot surface was removed by machining. The cover gases used were 0.5%SF₆/air or 0.5%SF₆/CO₂ (vol.%) at a flow rate of 6 L/min for different castings. The melt was degassed by argon with a flow rate of 0.3 L/min for 15 min [41,42], and then poured into sand moulds. Prior to pouring, the sand mould cavity was flushed with the cover gas for 20 min [22]. The residual melt (around 1 kg) was solidified in the crucible.

Table 1. Composition (wt.%) of the AZ91 alloy used in this study.

Al	Zn	Mn	Si	Fe	Ni	Mg
9.4	0.61	0.15	0.02	0.005	0.0017	Residual

Fig. 1(a) shows the dimensions of the casting with runners. A top-filling system was deliberately used to generate entrainment defects in the final castings. Green and Campbell [7,43] suggested that a top-filling system caused more entrainment events (i.e., bifilms) during a casting process, compared with a bottom-filling system. A melt flow simulation (Flow-3D software) of this mould, using Reilly’s model [44] regarding the entrainment events, also predicted that a large amount of bifilms would be contained in the final casting (denoted by the black particles in Fig. 1b).

Shrinkage defects also affect the mechanical properties and reproducibility of castings. Since this study focused on the effect of bifilms on the casting quality, the mould has been deliberately designed to avoid generating shrinkage defects. A solidification simulation using ProCAST software showed that no shrinkage defect would be contained in the final casting, as shown in Fig. 1c. The casting soundness has also been confirmed using a real time X-ray prior to the test bar machining.

The sand moulds were made from resin-bonded silica sand, containing 1wt. % PEPSET 5230 resin and 1wt. % PEPSET 5112 catalyst. The sand also contained 2 wt.% Na₂SiF₆ to act as an inhibitor [45]. The pouring temperature was 700 ± 5 °C. After the solidification, a section of the runner bars was sent to the Sci-Lab Analytical Ltd for a H-content analysis (LECO analysis), and all the H-content measurements were carried out on the 5th day after the casting process. Each of the castings was machined into 40 test bars for a tensile strength test, using a Zwick 1484 tensile test machine with a clip extensometer. The fracture surfaces of the broken test bars were examined using Scanning Electron Microscope (SEM, Philips JEOL7000) with an accelerating voltage of 5–15 kV. The fractured test bars, residual Mg-alloy solidified in the crucible, and the casting runners were then sectioned, polished and also inspected using the same SEM. The cross-section of the oxide film found on the test-bar fracture surface was exposed by the Focused Ion Beam milling technique (FIB), using a CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM. The oxide film required to be analysed was coated with a platinum layer. Then, a gallium ion beam, accelerated to 30 kV, milled the material substrate surrounding the platinum coated area to expose the cross section of the oxide film. EDS analysis of the oxide film’s cross section was carried out using the FIB equipment at accelerating voltage of 30 kV.

2.2. Oxidation cell

As previously mentioned, several past researchers investigated the protective film formed on a Mg-alloy melt surface [38,39,[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]. During these experiments, the amount of cover gas used was sufficient, thus suppressing the depletion of fluorides in the cover gas. The experiment described in this section used a sealed oxidation cell, which limited the supply of cover gas, to study the evolution of the oxide films of entrainment defects. The cover gas contained in the oxidation cell was regarded as large-size “entrained bubble”.

As shown in Fig. 2, the main body of the oxidation cell was a closed-end mild steel tube which had an inner length of 400 mm, and an inner diameter of 32 mm. A water-cooled copper tube was wrapped around the upper section of the cell. When the tube was heated, the cooling system created a temperature difference between the upper and lower sections, causing the interior gas to convect within the tube. The temperature was monitored by a type-K thermocouple located at the top of the crucible. Nie et al. [53] suggested that the SF₆ cover gas would react with the steel wall of the holding furnace when they investigated the surface film of a Mg-alloy melt. To avoid this reaction, the interior surface of the steel oxidation cell (shown in Fig. 2) and the upper half section of the thermocouple were coated with boron nitride (the Mg-alloy was not in contact with boron nitride).

Fig. 2. Schematic of the oxidation cell used to study the evolution of the oxide films of the entrainment defects (unit mm).

During the experiment, a block of solid AZ91 alloy was placed in a magnesia crucible located at the bottom of the oxidation cell. The cell was heated to 100 °C in an electric resistance furnace under a gas flow rate of 1 L/min. The cell was held at this temperature for 20 min, to replace the original trapped atmosphere (i.e. air). Then, the oxidation cell was further heated to 700 °C, melting the AZ91 sample. The gas inlet and exit valves were then closed, creating a sealed environment for oxidation under a limited supply of cover gas. The oxidation cell was then held at 700 ± 10 °C for periods of time from 5 min to 30 min in 5-min intervals. At the end of each holding time, the cell was quenched in water. After cooling to room temperature, the oxidised sample was sectioned, polished, and subsequently examined by SEM.

3. Results

3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF₆/air

The structure and composition of the entrainment defect formed in the AZ91 castings under a cover gas of 0.5%SF₆/air was observed by SEM and EDS. The results indicate that there exist two types of entrainment defects which are sketched in Fig. 3: (1) Type A defect whose oxide film has a traditional single-layered structure and (2) Type B defect, whose oxide film has two layers. The details of these defects were introduced in the following. Here it should be noticed that, as the entrainment defects are also known as biofilms or double oxide film, the oxide films of Type B defect were referred to as “multi-layered oxide film” or “multi-layered structure” in the present work to avoid a confusing description such as “the double-layered oxide film of a double oxide film defect”.

Fig. 3. Schematic of the different types of entrainment defects found in AZ91 castings. (a) Type A defect with a single-layered oxide film and (b) Type B defect with two-layered oxide film.

Fig. 4(a-b) shows a Type A defect having a compact single-layered oxide film with about 0.4 µm thickness. Oxygen, fluorine, magnesium and aluminium were detected in this film (Fig. 4c). It is speculated that oxide film is the mixture of fluoride and oxide of magnesium and aluminium. The detection of fluorine revealed that an entrained cover gas was contained in the formation of this defect. That is to say that the pores shown in Fig. 4(a) were not shrinkage defects or hydrogen porosity, but entrainment defects. The detection of aluminium was different with Xiong and Wang’s previous study [47,48], which showed that no aluminium was contained in their surface film of an AZ91 melt protected by a SF₆ cover gas. Sulphur could not be clearly recognized in the element map, but there was a S-peak in the corresponding ESD spectrum.

Fig. 4. (a) A Type A entrainment defect formed in SF6/air and having a single-layered oxide film, (b) the oxide film of this defect, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area highlighted in (b).

Fig. 5(a-b) shows a Type B entrainment defect having a multi-layered oxide film. The compact outer layers of the oxide films were enriched with fluorine and oxygen (Fig. 5c), while their relatively porous inner layers were only enriched with oxygen (i.e., poor in fluorine) and partly grew together, thus forming a sandwich-like structure. Therefore, it is speculated that the outer layer is the mixture of fluoride and oxide, while the inner layer is mainly oxide. Sulphur could only be recognized in the EDX spectrum and could not be clearly identified in the element map, which might be due to the small S-content in the cover gas (i.e., 0.5% volume content of SF₆ in the cover gas). In this oxide film, aluminium was contained in the outer layer of this oxide film but could not be clearly detected in the inner layer. Moreover, the distribution of Al seems to be uneven. It can be found that, in the right side of the defect, aluminium exists in the film but its concentration can not be identified to be higher than the matrix. However, there is a small area with much higher aluminium concentration in the left side of the defect. Such an uneven distribution of aluminium was also observed in other defects (shown in the following), and it is the result of the formation of some oxide particles in or under the film.

Fig. 5. (a) A Type B entrainment defect formed in SF6/air and having a multi-layered oxide film, (b) the oxide films of this defect have grown together, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (b).

Figs. 4 and 5 show cross sectional observations of the entrainment defects formed in the AZ91 alloy sample cast under a cover gas of SF₆/air. It is not sufficient to characterize the entrainment defects only by the figures observed from the two-dimensional section. To have a further understanding, the surface of the entrainment defects (i.e. the oxide film) was further studied by observing the fracture surface of the test bars.

Fig. 6(a) shows fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar produced in SF₆/air. Symmetrical dark regions can be seen on both sides of the fracture surfaces. Fig. 6(b) shows boundaries between the dark and bright regions. The bright region consisted of jagged and broken features, while the surface of the dark region was relatively smooth and flat. In addition, the EDS results (Fig. 6c-d and Table 2) show that fluorine, oxygen, sulphur, and nitrogen were only detected in the dark regions, indicating that the dark regions were surface protective films entrained into the melt. Therefore, it could be suggested that the dark regions were an entrainment defect with consideration of their symmetrical nature. Similar defects on fracture surfaces of Al-alloy castings have been previously reported [7]. Nitrides were only found in the oxide films on the test-bar fracture surfaces but never detected in the cross-sectional samples shown in Figs. 4 and 5. An underlying reason is that the nitrides contained in these samples may have hydrolysed during the sample polishing process [54].

Fig. 6. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar produced under a cover gas of SF6/air. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) a section of the boundary between the dark and bright regions shown in (a), (c-d) EDS spectrum of the (c) bright regions and (d) dark regions, (e) schematic of an entrainment defect contained in a test bar.

Table 2. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 6 (cover gas: SF₆/air).

Empty Cell	C	O	Mg	F	Al	Zn	S	N
Dark region in Fig. 6(b)	3.48	1.32	79.13	0.47	13.63	0.57	0.08	0.73
Bright region in Fig. 6(b)	3.58	–	84.48	–	11.25	0.68	–	–

In conjunction with the cross-sectional observation of the defects shown in Figs. 4 and 5, the structure of an entrainment defect contained in a tensile test bar was sketched as shown in Fig. 6(e). The defect contained an entrained gas enclosed by its oxide film, creating a void section inside the test bar. When the tensile force applied on the defect during the fracture process, the crack was initiated at the void section and propagated along the entrainment defect, since cracks would be propagated along the weakest path [55]. Therefore, when the test bar was finally fractured, the oxide films of entrainment defect appeared on both fracture surfaces of the test bar, as shown in Fig. 6(a).

3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF₆/CO₂

Similar to the entrainment defect formed in SF₆/air, the defects formed under a cover gas of 0.5%SF₆/CO₂ also had two types of oxide films (i.e., single-layered and multi-layered types). Fig. 7(a) shows an example of the entrainment defects containing a multi-layered oxide film. A magnified observation to the defect (Fig. 7b) shows that the inner layers of the oxide films had grown together, presenting a sandwich-like structure, which was similar to the defects formed in an atmosphere of SF₆/air (Fig. 5b). An EDS spectrum (Fig. 7c) revealed that the joint area (inner layer) of this sandwich-like structure mainly contained magnesium oxides. Peaks of fluorine, sulphur, and aluminium were recognized in this EDS spectrum, but their amount was relatively small. In contrast, the outer layers of the oxide films were compact and composed of a mixture of fluorides and oxides (Fig. 7d-e).

Fig. 7. (a) An example of entrainment defects formed in SF6/CO2 and having a multi-layered oxide film, (b) magnified observation of the defect, showing the inner layer of the oxide films has grown together, (c) EDS spectrum of the point denoted in (b), (d) outer layer of the oxide film, (e) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (d).

Fig. 8(a) shows an entrainment defect on the fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar, which was produced in an atmosphere of 0.5%SF₆/CO₂. The corresponding EDS results (Table 3) showed that oxide film contained fluorides and oxides. Sulphur and nitrogen were not detected. Besides, a magnified observation (Fig. 8b) indicated spots on the oxide film surface. The diameter of the spots ranged from hundreds of nanometres to a few micron meters.

Fig. 8. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar, produced in an atmosphere of SF6/CO2. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) surface appearance of the oxide films on the fracture surfaces, showing spots on the film surface.

To further reveal the structure and composition of the oxide film clearly, the cross-section of the oxide film on a test-bar fracture surface was onsite exposed using the FIB technique (Fig. 9). As shown in Fig. 9a, a continuous oxide film was found between the platinum coating layer and the Mg-Al alloy substrate. Fig. 9 (b-c) shows a magnified observation to oxide films, indicating a multi-layered structure (denoted by the red box in Fig. 9c). The bottom layer was enriched with fluorine and oxygen and should be the mixture of fluoride and oxide, which was similar to the “outer layer” shown in Figs. 5 and 7, while the only-oxygen-enriched top layer was similar to the “inner layer” shown in Figs. 5 and 7.

Fig. 9. (a) A cross-sectional observation of the oxide film on the fracture surface of the AZ91 casting produced in SF6/CO2, exposed by FIB, (b) a magnified observation of area highlighted in (a), and (c) SEM-EDS elements map of the area shown in (b), obtained by CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM.

Except the continuous film, some individual particles were also observed in or below the continuous film, as shown in Fig. 9. An Al-enriched particle was detected in the left side of the oxide film shown in Fig. 9b and might be speculated to be spinel Mg₂AlO₄ because it also contains abundant magnesium and oxygen elements. The existing of such Mg₂AlO₄ particles is responsible for the high concentration of aluminium in small areas of the observed film and the uneven distribution of aluminium, as shown in Fig. 5(c). Here it should be emphasized that, although the other part of the bottom layer of the continuous oxide film contains less aluminium than this Al-enriched particle, the Fig. 9c indicated that the amount of aluminium in this bottom layer was still non-negligible, especially when comparing with the outer layer of the film. Below the right side of the oxide film shown in Fig. 9b, a particle was detected and speculated to be MgO because it is rich in Mg and O. According to Wang’s result [56], lots of discrete MgO particles can be formed on the surface of the Mg melt by the oxidation of Mg melt and Mg vapor. The MgO particles observed in our present work may be formed due to the same reasons. While, due to the differences in experimental conditions, less Mg melt can be vapored or react with O₂, thus only a few of MgO particles formed in our work. An enrichment of carbon was also found in the film, revealing that CO₂ was able to react with the melt, thus forming carbon or carbides. This carbon concentration was consistent with the relatively high carbon content of the oxide film shown in Table 3 (i.e., the dark region). In the area next to the oxide film.

Table 3. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 8 (cover gas: SF₆/ CO₂).

Empty Cell	C	O	Mg	F	Al	Zn	S	N
Dark region in Fig. 8(a)	7.25	3.64	69.82	3.82	7.03	0.86	–	–
Bright region in Fig. 8(a)	2.10	0.44	82.83	–	13.26	1.36	–	–

This cross-sectional observation of the oxide film on a test bar fracture surface (Fig. 9) further verified the schematic of the entrainment defect shown in Fig. 6(e). The entrainment defects formed in different atmospheres of SF₆/CO₂ and SF₆/air had similar structures, but their compositions were different.

3.3. Evolution of the oxide films in the oxidation cell

The results in Section 3.1 and 3.2 have shown the structures and compositions of entrainment defects formed in AZ91 castings under cover gases of SF₆/air and SF₆/CO₂. Different stages of the oxidation reaction may lead to the different structures and compositions of entrainment defects. Although Campbell has conjectured that an entrained gas may react with the surrounding melt, it is rarely reported that the reaction occurring between the Mg-alloy melt and entrapped cover gas. Previous researchers normally focus on the reaction between a Mg-alloy melt and the cover gas in an open environment [38,39,[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], which was different from the situation of a cover gas trapped into the melt. To further understand the formation of the entrainment defect in an AZ91 alloy, the evolution process of oxide films of the entrainment defect was further studied using an oxidation cell.

Fig. 10 (a and d) shows a surface film held for 5 min in the oxidation cell, protected by 0.5%SF₆/air. There was only one single layer consisting of fluoride and oxide (MgF₂ and MgO). In this surface film. Sulphur was detected in the EDS spectrum, but its amount was too small to be recognized in the element map. The structure and composition of this oxide film was similar to the single-layered films of entrainment defects shown in Fig. 4.

Fig. 10. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/air and held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 10 min; (c) 30 min, and (d-f) the SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the oxide film shown in (a-c) respectively, (d) 5 min; (e) 10 min; (f) 30 min. The red points in (c and f) are the location references, denoting the boundary of the F-enriched layer in different element maps.

After a holding time of 10 min, a thin (O, S)-enriched top layer (around 700 nm) appeared upon the preliminary F-enriched film, forming a multi-layered structure, as shown in Fig. 10(b and e). The thickness of the (O, S)-enriched top layer increased with increased holding time. As shown in Fig. 10(c and f), the oxide film held for 30 min also had a multi-layered structure, but the thickness of its (O, S)-enriched top layer (around 2.5 µm) was higher than the that of the 10-min oxide film. The multi-layered oxide films shown in Fig. 10(b-c) presented a similar appearance to the films of the sandwich-like defect shown in Fig. 5.

The different structures of the oxide films shown in Fig. 10 indicated that fluorides in the cover gas would be preferentially consumed due to the reaction with the AZ91 alloy melt. After the depletion of fluorides, the residual cover gas reacted further with the liquid AZ91 alloy, forming the top (O, S)-enriched layer in the oxide film. Therefore, the different structures and compositions of entrainment defects shown in Figs. 4 and 5 may be due to an ongoing oxidation reaction between melt and entrapped cover gas.

This multi-layered structure has not been reported in previous publications concerning the protective surface film formed on a Mg-alloy melt [38,[46], [47], [48], [49], [50], [51]. This may be due to the fact that previous researchers carried out their experiments with an un-limited amount of cover gas, creating a situation where the fluorides in the cover gas were not able to become depleted. Therefore, the oxide film of an entrainment defect had behaviour traits similar to the oxide films shown in Fig. 10, but different from the oxide films formed on the Mg-alloy melt surface reported in [38,[46], [47], [48], [49], [50], [51].

Similar with the oxide films held in SF₆/air, the oxide films formed in SF₆/CO₂ also had different structures with different holding times in the oxidation cell. Fig. 11(a) shows an oxide film, held on an AZ91 melt surface under a cover gas of 0.5%SF₆/CO₂ for 5 min. This film had a single-layered structure consisting of MgF₂. The existence of MgO could not be confirmed in this film. After the holding time of 30 min, the film had a multi-layered structure; the inner layer was of a compact and uniform appearance and composed of MgF₂, while the outer layer is the mixture of MgF₂ and MgO. Sulphur was not detected in this film, which was different from the surface film formed in 0.5%SF₆/air. Therefore, fluorides in the cover gas of 0.5%SF₆/CO₂ were also preferentially consumed at an early stage of the film growth process. Compared with the film formed in SF₆/air, the MgO in film formed in SF₆/CO₂ appeared later and sulphide did not appear within 30 min. It may mean that the formation and evolution of film in SF₆/air is faster than SF₆/CO_2. CO₂ may have subsequently reacted with the melt to form MgO, while sulphur-containing compounds accumulated in the cover gas and reacted to form sulphide in very late stage (may after 30 min in oxidation cell).

Fig. 11. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/CO2, and their SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000). They were held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 30 min. The red points in (b) are the location references, denoting the boundary between the top and bottom layers in the oxide film.

4. Discussion

4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF₆/air

HSC software from Outokumpu HSC Chemistry for Windows (http://www.hsc-chemistry.net/) was used to carry out thermodynamic calculations needed to explore the reactions which might occur between the trapped gases and liquid AZ91 alloy. The solutions to the calculations suggest which products are most likely to form in the reaction process between a small amount of cover gas (i.e., the amount within a trapped bubble) and the AZ91-alloy melt.

In the trials, the pressure was set to 1 atm, and the temperature set to 700 °C. The amount of the cover gas was assumed to be 7 × 10⁻⁷ kg, with a volume of approximately 0.57 cm³ (3.14 × 10⁻⁸ kmol) for 0.5%SF₆/air, and 0.35 cm³ (3.12 × 10⁻⁸ kmol) for 0.5%SF₆/CO₂. The amount of the AZ91 alloy melt in contact with the trapped gas was assumed to be sufficient to complete all reactions. The decomposition products of SF₆ were SF₅, SF₄, SF₃, SF₂, F₂, S(g), S₂(g) and F(g) [57], [58], [59], [60].

Fig. 12 shows the equilibrium diagram of the thermodynamic calculation of the reaction between the AZ91 alloy and 0.5%SF₆/air. In the diagram, the reactants and products with less than 10⁻¹⁵ kmol have not been shown, as this was 5 orders of magnitude less than the amount of SF₆ present (≈ 1.57 × 10⁻¹⁰ kmol) and therefore would not affect the observed process in a practical way.

Fig. 12. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/air and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis is the amount of AZ91 alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis is the amount of the reactants and products.

This reaction process could be divided into 3 stages.

Stage 1: The formation of fluorides. the AZ91 melt preferentially reacted with SF₆ and its decomposition products, producing MgF₂, AlF₃, and ZnF₂. However, the amount of ZnF₂ may have been too small to be detected practically (1.25 × 10⁻¹² kmol of ZnF₂ compared with 3 × 10⁻¹⁰ kmol of MgF₂), which may be the reason why Zn was not detected in any the oxide films shown in Sections 3.1–3.3. Meanwhile, sulphur accumulated in the residual gas as SO₂.

Stage 2: The formation of oxides. After the liquid AZ91 alloy had depleted all the available fluorides in the entrapped gas, the amount of AlF₃ and ZnF₂ quickly reduced due to a reaction with Mg. O₂(g) and SO₂ reacted with the AZ91 melt, forming MgO, Al₂O₃, MgAl₂O₄, ZnO, ZnSO₄ and MgSO₄. However, the amount of ZnO and ZnSO₄ would have been too small to be found practically by EDS (e.g. 9.5 × 10⁻¹² kmol of ZnO,1.38 × 10⁻¹⁴ kmol of ZnSO₄, in contrast to 4.68 × 10⁻¹⁰ kmol of MgF₂, when the amount of AZ91 on the X-axis is 2.5 × 10⁻⁹ kmol). In the experimental cases, the concentration of F in the cover gas is very low, whole the concentration f O is much higher. Therefore, the stage 1 and 2, i.e, the formation of fluoride and oxide may happen simultaneously at the beginning of the reaction, resulting in the formation of a singer-layered mixture of fluoride and oxide, as shown in Figs. 4 and 10(a). While an inner layer consisted of oxides but fluorides could form after the complete depletion of F element in the cover gas.

Stages 1- 2 theoretically verified the formation process of the multi-layered structure shown in Fig. 10.

The amount of MgAl₂O₄ and Al₂O₃ in the oxide film was of a sufficient amount to be detected, which was consistent with the oxide films shown in Fig. 4. However, the existence of aluminium could not be recognized in the oxide films grown in the oxidation cell, as shown in Fig. 10. This absence of Al may be due to the following reactions between the surface film and AZ91 alloy melt:(1)

Al₂O₃ + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700 °C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl₂O₄ = MgO + Al, △G(700 °C) =-106.34 kJ/molwhich could not be simulated by the HSC software since the thermodynamic calculation was carried out under an assumption that the reactants were in full contact with each other. However, in a practical process, the AZ91 melt and the cover gas would not be able to be in contact with each other completely, due to the existence of the protective surface film.

Stage 3: The formation of Sulphide and nitride. After a holding time of 30 min, the gas-phase fluorides and oxides in the oxidation cell had become depleted, allowing the melt reaction with the residual gas, forming an additional sulphur-enriched layer upon the initial F-enriched or (F, O)-enriched surface film, thus resulting in the observed multi-layered structure shown in Fig. 10 (b and c). Besides, nitrogen reacted with the AZ91 melt until all reactions were completed. The oxide film shown in Fig. 6 may correspond to this reaction stage due to its nitride content. However, the results shows that the nitrides were not detected in the polished samples shown in Figs. 4 and 5, but only found on the test bar fracture surfaces. The nitrides may have hydrolysed during the sample preparation process, as follows [54]:(3)

Mg₃N₂ + 6H₂O =3Mg(OH)₂ + 2NH₃↑(4)

AlN+ 3H₂O =Al(OH)₃ + NH₃↑

In addition, Schmidt et al. [61] found that Mg₃N₂ and AlN could react to form ternary nitrides (Mg₃Al_nN_n+2, n= 1, 2, 3…). HSC software did not contain the database of ternary nitrides, and it could not be added into the calculation. The oxide films in this stage may also contain ternary nitrides.

4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF₆/CO₂

Fig. 13 shows the results of the thermodynamic calculation between AZ91 alloy and 0.5%SF₆/CO₂. This reaction processes can also be divided into three stages.

Fig. 13. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/CO2 and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis denotes the amount of Mg alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis denotes the amounts of the reactants and products.

Stage 1: The formation of fluorides. SF₆ and its decomposition products were consumed by the AZ91 melt, forming MgF₂, AlF₃, and ZnF₂. As in the reaction of AZ91 in 0.5%SF₆/air, the amount of ZnF₂ was too small to be detected practically (1.51 × 10⁻¹³ kmol of ZnF₂ compared with 2.67 × 10⁻¹⁰ kmol of MgF₂). Sulphur accumulated in the residual trapped gas as S₂(g) and a portion of the S₂(g) reacted with CO₂, to form SO₂ and CO. The products in this reaction stage were consistent with the film shown in Fig. 11(a), which had a single layer structure that contained fluorides only.

Stage 2: The formation of oxides. AlF₃ and ZnF₂ reacted with the Mg in the AZ91 melt, forming MgF₂, Al and Zn. The SO₂ began to be consumed, producing oxides in the surface film and S₂(g) in the cover gas. Meanwhile, the CO₂ directly reacted with the AZ91 melt, forming CO, MgO, ZnO, and Al₂O₃. The oxide films shown in Figs. 9 and 11(b) may correspond to this reaction stage due to their oxygen-enriched layer and multi-layered structure.

The CO in the cover gas could further react with the AZ91 melt, producing C. This carbon may further react with Mg to form Mg carbides, when the temperature reduced (during solidification period) [62]. This may be the reason for the high carbon content in the oxide film shown in Figs. 8–9. Liang et al. [39] also reported carbon-detection in an AZ91 alloy surface film protected by SO₂/CO₂. The produced Al₂O₃ may be further combined with MgO, forming MgAl₂O₄ [63]. As discussed in Section 4.1, the alumina and spinel can react with Mg, causing an absence of aluminium in the surface films, as shown in Fig. 11.

Stage 3: The formation of Sulphide. the AZ91 melt began to consume S₂(g) in the residual entrapped gas, forming ZnS and MgS. These reactions did not occur until the last stage of the reaction process, which could be the reason why the S-content in the defect shown Fig. 7(c) was small.

In summary, thermodynamic calculations indicate that the AZ91 melt will react with the cover gas to form fluorides firstly, then oxides and sulphides in the last. The oxide film in the different reaction stages would have different structures and compositions.

4.3. Effect of the carrier gases on consumption of the entrained gas and the reproducibility of AZ91 castings

The evolution processes of entrainment defects, formed in SF₆/air and SF₆/CO₂, have been suggested in Sections 4.1 and 4.2. The theoretical calculations were verified with respect to the corresponding oxide films found in practical samples. The atmosphere within an entrainment defect could be efficiently consumed due to the reaction with liquid Mg-alloy, in a scenario dissimilar to the Al-alloy system (i.e., nitrogen in an entrained air bubble would not efficiently react with Al-alloy melt [64,65], however, nitrogen would be more readily consumed in liquid Mg alloys, commonly referred to as “nitrogen burning” [66]).

The reaction between the entrained gas and the surrounding liquid Mg-alloy converted the entrained gas into solid compounds (e.g. MgO) within the oxide film, thus reducing the void volume of the entrainment defect and hence probably causing a collapse of the defect (e.g., if an entrained gas of air was depleted by the surrounding liquid Mg-alloy, under an assumption that the melt temperature is 700 °C and the depth of liquid Mg-alloy is 10 cm, the total volume of the final solid products would be 0.044% of the initial volume taken by the entrapped air).

The relationship between the void volume reduction of entrainment defects and the corresponding casting properties has been widely studied in Al-alloy castings. Nyahumwa and Campbell [16] reported that the Hot Isostatic Pressing (HIP) process caused the entrainment defects in Al-alloy castings to collapse and their oxide surfaces forced into contact. The fatigue lives of their castings were improved after HIP. Nyahumwa and Campbell [16] also suggested a potential bonding of the double oxide films that were in contact with each other, but there was no direct evidence to support this. This binding phenomenon was further investigated by Aryafar et.al.[8], who re-melted two Al-alloy bars with oxide skins in a steel tube and then carried out a tensile strength test on the solidified sample. They found that the oxide skins of the Al-alloy bars strongly bonded with each other and became even stronger with an extension of the melt holding time, indicating a potential “healing” phenomenon due to the consumption of the entrained gas within the double oxide film structure. In addition, Raidszadeh and Griffiths [9,19] successfully reduced the negative effect of entrainment defects on the reproducibility of Al-alloy castings, by extending the melt holding time before solidification, which allowed the entrained gas to have a longer time to react with the surrounding melt.

With consideration of the previous work mentioned, the consumption of the entrained gas in Mg-alloy castings may diminish the negative effect of entrainment defects in the following two ways.

(1) Bonding phenomenon of the double oxide films. The sandwich-like structure shown in Fig. 5 and 7 indicated a potential bonding of the double oxide film structure. However, more evidence is required to quantify the increase in strength due to the bonding of the oxide films.

(2) Void volume reduction of entrainment defects. The positive effect of void-volume reduction on the quality of castings has been widely demonstrated by the HIP process [67]. As the evolution processes discussed in Section 4.1–4.2, the oxide films of entrainment defects can grow together due to an ongoing reaction between the entrained gas and surrounding AZ91 alloy melt. The volume of the final solid products was significant small compared with the entrained gas (i.e., 0.044% as previously mentioned).

Therefore, the consumption rate of the entrained gas (i.e., the growth rate of oxide films) may be a critical parameter for improving the quality of AZ91 alloy castings. The oxide film growth rate in the oxidization cell was accordingly further investigated.

Fig. 14 shows a comparison of the surface film growth rates in different cover gases (i.e., 0.5%SF₆/air and 0.5%SF₆/CO₂). 15 random points on each sample were selected for film thickness measurements. The 95% confidence interval (95%CI) was computed under an assumption that the variation of the film thickness followed a Gaussian distribution. It can be seen that all the surface films formed in 0.5%SF₆/air grew faster than those formed in 0.5%SF₆/CO₂. The different growth rates suggested that the entrained-gas consumption rate of 0.5%SF₆/air was higher than that of 0.5%SF₆/CO₂, which was more beneficial for the consumption of the entrained gas.

Fig. 14. A comparison of the AZ91 alloy oxide film growth rates in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2

It should be noted that, in the oxidation cell, the contact area of liquid AZ91 alloy and cover gas (i.e. the size of the crucible) was relatively small with consideration of the large volume of melt and gas. Consequently, the holding time for the oxide film growth within the oxidation cell was comparatively long (i.e., 5–30 min). However, the entrainment defects contained in a real casting are comparatively very small (i.e., a few microns size as shown in Figs. 3–6, and [7]), and the entrained gas is fully enclosed by the surrounding melt, creating a relatively large contact area. Hence the reaction time for cover gas and the AZ91 alloy melt may be comparatively short. In addition, the solidification time of real Mg-alloy sand castings can be a few minutes (e.g. Guo [68] reported that a Mg-alloy sand casting with 60 mm diameter required 4 min to be solidified). Therefore, it can be expected that an entrained gas trapped during an Mg-alloy melt pouring process will be readily consumed by the surrounding melt, especially for sand castings and large-size castings, where solidification times are long.

Therefore, the different cover gases (0.5%SF₆/air and 0.5%SF₆/CO₂) associated with different consumption rates of the entrained gases may affect the reproducibility of the final castings. To verify this assumption, the AZ91 castings produced in 0.5%SF₆/air and 0.5%SF₆/CO₂ were machined into test bars for mechanical evaluation. A Weibull analysis was carried out using both linear least square (LLS) method and non-linear least square (non-LLS) method [69].

Fig. 15(a-b) shows a traditional 2-p linearized Weibull plot of the UTS and elongation of the AZ91 alloy castings, obtained by the LLS method. The estimator used is P= (i-0.5)/N, which was suggested to cause the lowest bias among all the popular estimators [69,70]. The casting produced in SF₆/air has an UTS Weibull moduli of 16.9, and an elongation Weibull moduli of 5.0. In contrast, the UTS and elongation Weibull modulus of the casting produced in SF₆/CO₂ are 7.7 and 2.7 respectively, suggesting that the reproducibility of the casting protected by SF₆/CO₂ were much lower than that produced in SF₆/air.

Fig. 15. The Weibull modulus of AZ91 castings produced in different atmospheres, estimated by (a-b) the linear least square method, (c-d) the non-linear least square method, where SSR is the sum of residual squares.

In addition, the author’s previous publication [69] demonstrated a shortcoming of the linearized Weibull plots, which may cause a higher bias and incorrect R² interruption of the Weibull estimation. A Non-LLS Weibull estimation was therefore carried out, as shown in Fig. 15 (c-d). The UTS Weibull modulus of the SF₆/air casting was 20.8, while the casting produced under SF₆/CO₂ had a lower UTS Weibull modulus of 11.4, showing a clear difference in their reproducibility. In addition, the SF₆/air elongation (El%) dataset also had a Weibull modulus (shape = 5.8) higher than the elongation dataset of SF₆/CO₂ (shape = 3.1). Therefore, both the LLS and Non-LLS estimations suggested that the SF₆/air casting has a higher reproducibility than the SF₆/CO₂ casting. It supports the method that the use of air instead of CO₂ contributes to a quicker consumption of the entrained gas, which may reduce the void volume within the defects. Therefore, the use of 0.5%SF₆/air instead of 0.5%SF₆/CO₂ (which increased the consumption rate of the entrained gas) improved the reproducibility of the AZ91 castings.

However, it should be noted that not all the Mg-alloy foundries followed the casting process used in present work. The Mg-alloy melt in present work was degassed, thus reducing the effect of hydrogen on the consumption of the entrained gas (i.e., hydrogen could diffuse into the entrained gas, potentially suppressing the depletion of the entrained gas [7,71,72]). In contrast, in Mg-alloy foundries, the Mg-alloy melt is not normally degassed, since it was widely believed that there is not a ‘gas problem’ when casting magnesium and hence no significant change in tensile properties [73]. Although studies have shown the negative effect of hydrogen on the mechanical properties of Mg-alloy castings [41,42,73], a degassing process is still not very popular in Mg-alloy foundries.

Moreover, in present work, the sand mould cavity was flushed with the SF₆ cover gas prior to pouring [22]. However, not all the Mg-alloy foundries flushed the mould cavity in this way. For example, the Stone Foundry Ltd (UK) used sulphur powder instead of the cover-gas flushing. The entrained gas within their castings may be SO₂/air, rather than the protective gas.

Therefore, although the results in present work have shown that using air instead of CO₂ improved the reproducibility of the final casting, it still requires further investigations to confirm the effect of carrier gases with respect to different industrial Mg-alloy casting processes.

7. Conclusion

Entrainment defects formed in an AZ91 alloy were observed. Their oxide films had two types of structure: single-layered and multi-layered. The multi-layered oxide film can grow together forming a sandwich-like structure in the final casting.2.

Both the experimental results and the theoretical thermodynamic calculations demonstrated that fluorides in the trapped gas were depleted prior to the consumption of sulphur. A three-stage evolution process of the double oxide film defects has been suggested. The oxide films contained different combinations of compounds, depending on the evolution stage. The defects formed in SF₆/air had a similar structure to those formed in SF₆/CO₂, but the compositions of their oxide films were different. The oxide-film formation and evolution process of the entrainment defects were different from that of the Mg-alloy surface films previous reported (i.e., MgO formed prior to MgF₂).3.

The growth rate of the oxide film was demonstrated to be greater under SF₆/air than SF₆/CO₂, contributing to a quicker consumption of the damaging entrapped gas. The reproducibility of an AZ91 alloy casting improved when using SF₆/air instead of SF₆/CO₂.

Acknowledgements

The authors acknowledge funding from the EPSRC LiME grant EP/H026177/1, and the help from Dr W.D. Griffiths and Mr. Adrian Carden (University of Birmingham). The casting work was carried out in University of Birmingham.

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원문보기

Fig 3. Front view of the ejected powder particles due to the plume movement. Powder particles are colored by their respective temperature while trajectory colors show their magnitude at 0.007 seconds.

316-L 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합 중 콜드 스패터 형성의 충실도 높은 수치 모델링

M. BAYAT1,* , AND J. H. HATTEL1

Corresponding author
1 Technical University of Denmark (DTU), Building 425, Kgs. 2800 Lyngby, Denmark

ABSTRACT

Spatter and denudation are two very well-known phenomena occurring mainly during the laser powder bed fusion process and are defined as ejection and displacement of powder particles, respectively. The main driver of this phenomenon is the formation of a vapor plume jet that is caused by the vaporization of the melt pool which is subjected to the laser beam. In this work, a 3-dimensional transient turbulent computational fluid dynamics model coupled with a discrete element model is developed in the finite volume-based commercial software package Flow-3D AM to simulate the spatter phenomenon. The numerical results show that a localized low-pressure zone forms at the bottom side of the plume jet and this leads to a pseudo-Bernoulli effect that drags nearby powder particles into the area of influence of the vapor plume jet. As a result, the vapor plume acts like a momentum sink and therefore all nearby particles point are dragged towards this region. Furthermore, it is noted that due to the jet’s attenuation, powder particles start diverging from the central core region of the vapor plume as they move vertically upwards. It is moreover observed that only particles which are in the very central core region of the plume jet get sufficiently accelerated to depart the computational domain, while the rest of the dragged particles, especially those which undergo an early divergence from the jet axis, get stalled pretty fast as they come in contact with the resting fluid. In the last part of the work, two simulations with two different scanning speeds are carried out, where it is clearly observed that the angle between the departing powder particles and the vertical axis of the plume jet increases with increasing scanning speed.

스패터와 denudation은 주로 레이저 분말 베드 융합 과정에서 발생하는 매우 잘 알려진 두 가지 현상으로 각각 분말 입자의 배출 및 변위로 정의됩니다.

이 현상의 주요 동인은 레이저 빔을 받는 용융 풀의 기화로 인해 발생하는 증기 기둥 제트의 형성입니다. 이 작업에서 이산 요소 모델과 결합된 3차원 과도 난류 전산 유체 역학 모델은 스패터 현상을 시뮬레이션하기 위해 유한 체적 기반 상용 소프트웨어 패키지 Flow-3D AM에서 개발되었습니다.

수치적 결과는 플룸 제트의 바닥면에 국부적인 저압 영역이 형성되고, 이는 근처의 분말 입자를 증기 플룸 제트의 영향 영역으로 끌어들이는 의사-베르누이 효과로 이어진다는 것을 보여줍니다.

결과적으로 증기 기둥은 운동량 흡수원처럼 작용하므로 근처의 모든 입자 지점이 이 영역으로 끌립니다. 또한 제트의 감쇠로 인해 분말 입자가 수직으로 위쪽으로 이동할 때 증기 기둥의 중심 코어 영역에서 발산하기 시작합니다.

더욱이 플룸 제트의 가장 중심 코어 영역에 있는 입자만 계산 영역을 벗어날 만큼 충분히 가속되는 반면, 드래그된 나머지 입자, 특히 제트 축에서 초기 발산을 겪는 입자는 정체되는 것으로 관찰됩니다. 그들은 휴식 유체와 접촉하기 때문에 꽤 빠릅니다.

작업의 마지막 부분에서 두 가지 다른 스캔 속도를 가진 두 가지 시뮬레이션이 수행되었으며, 여기서 출발하는 분말 입자와 연기 제트의 수직 축 사이의 각도가 스캔 속도가 증가함에 따라 증가하는 것이 명확하게 관찰되었습니다.

Fig 1. Two different views of the computational domain for the fluid domain. The vapor plume is simulated by a moving momentum source with a prescribed temperature of 3000 K.

Fig 2. (a) and (b) are two snapshots taken at an x-y plane parallel to the powder layer plane before and 0.008 seconds after the start of the scanning process. (c) Shows a magnified view of (b) where detailed powder particles' movement along with their velocity magnitude and directions are shown. — Fig 2. (a) and (b) are two snapshots taken at an x-y plane parallel to the powder layer plane before and 0.008 seconds after the start of the scanning process. (c) Shows a magnified view of (b) where detailed powder particles’ movement along with their velocity magnitude and directions are shown.

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Figure 2. Schematic diagram for pilot-scale cooling-water circulation system (a) along with a real picture of the system (b).

Application of Computational Fluid Dynamics in Chlorine-Dynamics Modeling of In-Situ Chlorination Systems for Cooling Systems

Jongchan Yi 1, Jonghun Lee 1, Mohd Amiruddin Fikri 2,3, Byoung-In Sang 4 and Hyunook Kim 1,*

Abstract

염소화는 상대적인 효율성과 저렴한 비용으로 인해 발전소 냉각 시스템에서 생물학적 오염을 제어하는데 선호되는 방법입니다. 해안 지역에 발전소가 있는 경우 바닷물을 사용하여 현장에서 염소를 전기화학적으로 생성할 수 있습니다. 이를 현장 전기염소화라고 합니다. 이 접근 방식은 유해한 염소화 부산물이 적고 염소를 저장할 필요가 없다는 점을 포함하여 몇 가지 장점이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 전기화학적 공정은 실제로는 아직 초기 단계에 있습니다. 이 연구에서는 파일럿 규모 냉각 시스템에서 염소 붕괴를 시뮬레이션하기 위해 병렬 1차 동역학을 적용했습니다. 붕괴가 취수관을 따라 발생하기 때문에 동역학은 전산유체역학(CFD) 코드에 통합되었으며, 이후에 파이프의 염소 거동을 시뮬레이션하는데 적용되었습니다. 실험과 시뮬레이션 데이터는 강한 난류가 형성되는 조건하에서도 파이프 벽을 따라 염소 농도가 점진적인 것으로 나타났습니다. 염소가 중간보다 파이프 표면을 따라 훨씬 더 집중적으로 남아 있다는 사실은 전기 염소화를 기반으로 하는 시스템의 전체 염소 요구량을 감소시킬 수 있었습니다. 현장 전기 염소화 방식의 냉각 시스템은 직접 주입 방식에 필요한 염소 사용량의 1/3만 소비했습니다. 따라서 현장 전기염소화는 해안 지역의 발전소에서 바이오파울링 제어를 위한 비용 효율적이고 환경 친화적인 접근 방식으로 사용될 수 있다고 결론지었습니다.

Chlorination is the preferred method to control biofouling in a power plant cooling system due to its comparative effectiveness and low cost. If a power plant is located in a coastal area, chlorine can be electrochemically generated in-situ using seawater, which is called in-situ electrochlorination; this approach has several advantages including fewer harmful chlorination byproducts and no need for chlorine storage. Nonetheless, this electrochemical process is still in its infancy in practice. In this study, a parallel first-order kinetics was applied to simulate chlorine decay in a pilot-scale cooling system. Since the decay occurs along the water-intake pipe, the kinetics was incorporated into computational fluid dynamics (CFD) codes, which were subsequently applied to simulate chlorine behavior in the pipe. The experiment and the simulation data indicated that chlorine concentrations along the pipe wall were incremental, even under the condition where a strong turbulent flow was formed. The fact that chlorine remained much more concentrated along the pipe surface than in the middle allowed for the reduction of the overall chlorine demand of the system based on the electro-chlorination. The cooling system, with an in-situ electro-chlorination, consumed only 1/3 of the chlorine dose demanded by the direct injection method. Therefore, it was concluded that in-situ electro-chlorination could serve as a cost-effective and environmentally friendly approach for biofouling control at power plants on coastal areas.

Keywords

computational fluid dynamics; power plant; cooling system; electro-chlorination; insitu chlorination

Figure 1. Electrodes and batch experiment set-up. (a) Two cylindrical electrodes used in this study. (b) Batch experiment set-up for kinetic tests.

Figure 3. Free chlorine decay curves in seawater with different TOC and initial chlorine concentration. Each line represents the predicted concentration of chlorine under a given condition. (a) Artificial seawater solution with 1 mg L−1 of TOC; (b) artificial seawater solution with 2 mg L−1 of TOC; (c) artificial seawater solution with 3 mg L−1 of TOC; (d) West Sea water (1.3 mg L−1 of TOC).

Figure 4. Correlation between model and experimental data in the chlorine kinetics using seawater.

Figure 5. Free chlorine concentrations in West Sea water under different current conditions in an insitu electro-chlorination system.

Figure 6. Free chlorine distribution along the sampling ports under different flow rates. Each dot represents experimental data, and each point on the black line is the expected chlorine concentration obtained from computational fluid dynamics (CFD) simulation with a parallel first-order decay model. The red-dotted line is the desirable concentration at the given flow rate: (a) 600 L min−1 of flow rate, (b) 700 L min−1 of flow rate, (c) 800 L min−1 of flow rate, (d) 900 L min−1 of flow rate.

Figure 7. Fluid contour images from CFD simulation of the electro-chlorination experiment. Inlet flow rate is 800 L min−1. Outlet pressure was set to 10.8 kPa. (a) Chlorine concentration; (b) expanded view of electrode side in image (a); (c) velocity magnitude; (d) pressure.

Figure 8. Chlorine concentration contour in the simulation of full-scale in-situ electro-chlorination with different cathode positions. The pipe diameter is 2 m and the flow rate is 14 m3 s−1. The figure shows 10 m of the pipeline. (a) The simulation result when the cathode is placed on the surface of the pipe wall. (b) The simulation result when the cathode is placed on the inside of the pipe with 100 mm of distance from the pipe wall.

Figure 9. Comparison of in-situ electro-chlorination and direct chlorine injection in full-scale applications. (a) Estimated chlorine concentrations along the pipe surface. (b) Relative chlorine demands.

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Fig. 3. Experimental angled top-view setup for laser welding of zinc-coated steel with a laser illumination.

Effect of zinc vapor forces on spattering in partial penetration laser welding of zinc-coated steels

Yu Hao a, Nannan Chen a,b, Hui-Ping Wang c,*, Blair E. Carlson c, Fenggui Lu a,*
a Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai,
200240, PR China b Department of Industrial and Manufacturing Eng

ABSTRACT

A three-dimensional thermal-fluid numerical model considering zinc vapor interaction with the molten pool was developed to study the occurrence of zinc vapor-induced spatter in partial penetration laser overlap welding of zinc-coated steels. The zinc vapor effect was represented by two forces: a jet pressure force acting on the keyhole rear wall as the vapor bursts into the keyhole and a drag force on the upper keyhole wall as the vapor escapes upwards. The numerical model was calibrated by comparing the predicted keyhole shape with the keyhole shape observed by high-speed X-ray imaging and applied for various weld schedules. The study showed that large jet pressure forces induced violent fluctuations of the keyhole rear wall, resulting in an unstable keyhole and turbulent melt flow. A large drag force pushed the melt adjacent to the keyhole surface upward and accelerated the movement of the melt whose velocities reached 1 m/s or even higher, potentially inducing spatter. Increased heat input facilitated the occurrence of large droplets of spatter, which agreed with experimental observations captured by high-speed camera.

아연도금강의 부분용입 레이저 겹침용접에서 아연증기유도 스패터의 발생을 연구하기 위하여 용융풀과의 아연증기 상호작용을 고려한 3차원 열유체 수치모델을 개발하였습니다.

아연 증기 효과는 증기가 열쇠 구멍으로 폭발할 때 키홀 뒤쪽 벽에 작용하는 제트 압력력과 증기가 위쪽으로 빠져나갈 때 위쪽 키홀 벽에 작용하는 항력의 두 가지 힘으로 표시됩니다.

수치 모델은 예측된 열쇠 구멍 모양과 고속 X선 영상으로 관찰된 키홀 모양을 비교하여 보정하고 다양한 용접 일정에 적용했습니다.

이 연구는 큰 제트 압력이 키홀 뒷벽의 격렬한 변동을 유발하여 불안정한 열쇠 구멍과 난류 용융 흐름을 초래한다는 것을 보여주었습니다. 큰 항력은 키홀 표면에 인접한 용융물을 위로 밀어올리고 속도가 1m/s 이상에 도달한 용융물의 이동을 가속화하여 잠재적으로 스패터를 유발할 수 있습니다.

증가된 열 입력은 고속 카메라로 포착한 실험적 관찰과 일치하는 큰 방울의 스패터 발생을 촉진했습니다.

Fig. 1. Schematic of zero-gap laser welding of zinc-coated steel.

Fig. 2. Experimental setup for capturing a side view of the laser welding of zinc-coated steel enabled by use of high-temperature glass.

Fig. 4. Schematic of the rotating Gaussian body heat source.

Fig. 5. Schematic of jet pressure force caused by zinc vapor: (a) locating the outlet of zinc vapor (point A), (b) schematic of assigning the jet pressure force.

Fig. 6. Schematic of drag force caused by zinc vapor.

Fig. 7. Procedure for calculating the outgassing velocity of zinc vapor.

Fig. 8. Schematic related to calculating the zone of vaporized zinc.

Fig. 9. The meshed domains for the thermal-fluid simulation of laser welding.

Fig. 10. The calculated temperature field and validation: (a) 3-D temperature field; (b)-(f) Comparison of experimental and simulated weld cross section: (b) P = 2000 W, v = 50 mm/s; (c) P = 2500 W, v = 50 mm/s; (d) P = 3000 W, v = 50 mm/s; (e) P = 3000 W, v = 60 mm/s; (f) P = 3000 W, v = 70 mm/s.

Fig. 11. Comparison of X-Ray images of in-process keyhole profiles and the numerical predictions: (a) Single sheet penetration (P = 480 W, v = 150 mm/s); (b) Two sheet penetration (P = 532 W, v = 150 mm/s).

Fig. 12. High-speed images of dynamic keyhole in laser welding of steels: (a) without zinc coating (b) with zinc coating.

Fig. 13. Mass loss and molten pool observation under different laser power and welding velocity for 1.2 mm + 1.2 mm HDG 420LA stack-up

Fig. 14. Numerical results of keyhole and flow field in molten pool: (a) without zinc vapor forces, (b) with zinc vapor forces.

Fig. 18. Calculated velocity fields for different welding parameters: (a) P = 2 kW, v = 50 mm/s, (b) P = 2.5 kW, v = 50 mm/s, (c) P = 3 kW, v = 50 mm/s, (d) P = 3 kW, v = 60 mm/s, (e) P = 3 kW, v = 70 mm/s.

Fig. 19. Schematic of the generation of spatter in different sizes: (a) small size, (b) large size.

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Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).

Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

Cristina González Fernández¹, Jenifer Gómez Pastora², Arantza Basauri¹, Marcos Fallanza¹, Eugenio Bringas¹, Jeffrey J. Chalmers² and Inmaculada Ortiz1,*

¹Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander, Spain

²William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, 151 W. Woodruff Ave., Columbus, OH 43210, USA
*Author to whom correspondence should be addressed.

Sensors 2020, 20(11), 3030; https://doi.org/10.3390/s20113030

Received: 16 April 2020 / Revised: 21 May 2020 / Accepted: 25 May 2020 / Published: 27 May 2020

(This article belongs to the Special Issue Lab-on-a-Chip and Microfluidic Sensors)

Abstract

The use of functionalized magnetic particles for the detection or separation of multiple chemicals and biomolecules from biofluids continues to attract significant attention. After their incubation with the targeted substances, the beads can be magnetically recovered to perform analysis or diagnostic tests. Particle recovery with permanent magnets in continuous-flow microdevices has gathered great attention in the last decade due to the multiple advantages of microfluidics. As such, great efforts have been made to determine the magnetic and fluidic conditions for achieving complete particle capture; however, less attention has been paid to the effect of the channel geometry on the system performance, although it is key for designing systems that simultaneously provide high particle recovery and flow rates. Herein, we address the optimization of Y-Y-shaped microchannels, where magnetic beads are separated from blood and collected into a buffer stream by applying an external magnetic field. The influence of several geometrical features (namely cross section shape, thickness, length, and volume) on both bead recovery and system throughput is studied. For that purpose, we employ an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that considers the dominant forces acting on the beads during separation. Our results indicate that rectangular, long devices display the best performance as they deliver high particle recovery and high throughput. Thus, this methodology could be applied to the rational design of lab-on-a-chip devices for any magnetically driven purification, enrichment or isolation.

Keywords: particle magnetophoresis; CFD; cross section; chip fabrication

Korea Abstract

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를위한 기능화 된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드를 자기 적으로 회수하여 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다. 연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다.

따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는 데있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜주의를 기울였습니다.

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되고 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 YY 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다.

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증 된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다. 우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다.

따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.

Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.

Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.

Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.

Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.

Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.

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$Fluid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 3: (a,b) Magnet distance d = 0; (c,d) Magnet distance d = 1 mm.$

Numerical Analysis of Bead Magnetophoresis from Flowing Blood in a Continuous-Flow Microchannel: Implications to the Bead-Fluid Interactions

Scientific Reports volume 9, Article number: 7265 (2019) Cite this article

Abstract

이 연구에서는 비드 운동과 유체 흐름에 미치는 영향에 대한 자세한 분석을 제공하기 위해 연속 흐름 마이크로 채널 내부의 비드 자기 영동에 대한 수치 흐름 중심 연구를 보고합니다.

수치 모델은 Lagrangian 접근 방식을 포함하며 영구 자석에 의해 생성 된 자기장의 적용에 의해 혈액에서 비드 분리 및 유동 버퍼로의 수집을 예측합니다.

다음 시나리오가 모델링됩니다. (i) 운동량이 유체에서 점 입자로 처리되는 비드로 전달되는 단방향 커플 링, (ii) 비드가 점 입자로 처리되고 운동량이 다음으로부터 전달되는 양방향 결합 비드를 유체로 또는 그 반대로, (iii) 유체 변위에서 비드 체적의 영향을 고려한 양방향 커플 링.

결과는 세 가지 시나리오에서 비드 궤적에 약간의 차이가 있지만 특히 높은 자기력이 비드에 적용될 때 유동장에 상당한 변화가 있음을 나타냅니다.

따라서 높은 자기력을 사용할 때 비드 운동과 유동장의 체적 효과를 고려한 정확한 전체 유동 중심 모델을 해결해야 합니다. 그럼에도 불구하고 비드가 중간 또는 낮은 자기력을 받을 때 계산적으로 저렴한 모델을 안전하게 사용하여 자기 영동을 모델링 할 수 있습니다.

Sketch of the magnetophoresis process in the continuous-flow microdevice.

Schematic view of the microdevice showing the working conditions set in the simulations.

Bead trajectories for different magnetic field conditions, magnet placed at different distances “d” from the channel: (a) d = 0; (b) d = 1 mm; (c) d = 1.5 mm; (d) d = 2 mm

Separation efficacy as a function of the magnet distance. Comparison between one-way and two-way coupling.

(a) Fluid velocity magnitude including velocity vectors and (b) blood volumetric fraction contours with magnet distance d = 0 mm for scenario 1 (t = 0.25 s).

luid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 2: (a,b) Magnet distance d = 0 mm at t = 0.4 s; (c,d) Magnet distance d = 1 mm at t = 0.4 s.

Fluid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 3: (a,b) Magnet distance d = 0; (c,d) Magnet distance d = 1 mm.

Blood volumetric fraction contours. Scenario 1: (a) Magnet distance d = 0 and (b) Magnet distance d = 1 mm; Scenario 2: (c) Magnet distance d = 0 and (d) Magnet distance d = 1 mm; and Scenario 3: (e) Magnet distance d = 0 and (f) Magnet distance d = 1 mm.

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Edward P. Furlani is deceased.

Affiliations

Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005, Santander, SpainJenifer Gómez-Pastora, Eugenio Bringas & Inmaculada Ortiz
Flow Science, Inc, Santa Fe, New Mexico, 87505, USAIoannis H. Karampelas
Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo (SUNY), Buffalo, New York, 14260, USAEdward P. Furlani
Department of Electrical Engineering, University at Buffalo (SUNY), Buffalo, New York, 14260, USAEdward P. Furlani

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The simulation of droplet impact on the super-hydrophobic surface with micro-pillar arrays fabricated by laser irradiation and silanization processes

레이저 조사 및 silanization 공정으로 제작된 micro-pillar arrays를 사용하여 초 소수성 표면에 대한 액적 영향 시뮬레이션

ZhenyanXia^a YangZhao^a ZhenYang^abc ChengjuanYang^ab LinanLi^a ShibinWang^a MengWang^ab
^aSchool of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300054, China
^bKey Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education, Tianjin, 300072, China^c
School of Engineering, University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, UK

Received 23 September 2020, Revised 17 November 2020, Accepted 26 November 2020, Available online 11 December 2020.

Abstract

Super-hydrophobicity is one of the significant natural phenomena, which has inspired researchers to fabricate artificial smart materials using advanced manufacturing techniques. In this study, a super-hydrophobic aluminum surface was prepared by nanosecond laser texturing and FAS modification in sequence. The surface wettability turned from original hydrophilicity to super-hydrophilicity immediately after laser treatment. Then it changed to super-hydrophobicity showing a WCA of 157.6 ± 1.2° with a SA of 1.7 ± 0.7° when the laser-induced rough surface being coated with a layer of FAS molecules. The transforming mechanism was further explored from physical and chemical aspects based on the analyses of surface morphology and surface chemistry. Besides, the motion process of droplet impacting super-hydrophobic surface was systematically analyzed via the optimization of simulation calculation grid and the simulation method of volume of fluid (VOF). Based on this simulation method, the morphological changes, the inside pressure distribution and velocity of the droplet were further investigated. And the motion mechanism of the droplet on super-hydrophobic surface was clearly revealed in this paper. The simulation results and the images captured by high-speed camera were highly consistent, which indicated that the computational fluid dynamics (CFD) is an effective method to predict the droplet motion on super- hydrophobic surfaces. This paper can provide an explicit guidance for the selection of suitable methods for functional surfaces with different requirements in the industry.

Korea Abstract

초 소수성은 연구원들이 첨단 제조 기술을 사용하여 인공 스마트 재료를 제작하도록 영감을 준 중요한 자연 현상 중 하나 입니다. 이 연구에서 초 소수성 알루미늄 표면은 나노초 레이저 텍스처링과 FAS 수정에 의해 순서대로 준비되었습니다.

레이저 처리 직후 표면 습윤성은 원래의 친수성에서 초 친수성으로 바뀌 었습니다. 그런 다음 레이저 유도 거친 표면을 FAS 분자 층으로 코팅했을 때 WCA가 157.6 ± 1.2 °이고 SA가 1.7 ± 0.7 ° 인 초 소수성으로 변경되었습니다.

변형 메커니즘은 표면 형태 및 표면 화학 분석을 기반으로 물리적 및 화학적 측면에서 추가로 탐구 되었습니다. 또한, 초 소수성 표면에 영향을 미치는 물방울의 운동 과정은 시뮬레이션 계산 그리드의 최적화와 유체 부피 (VOF) 시뮬레이션 방법을 통해 체계적으로 분석되었습니다.

이 시뮬레이션 방법을 바탕으로 형태학적 변화, 내부 압력 분포 및 액 적의 속도를 추가로 조사했습니다. 그리고 초 소수성 표면에 있는 물방울의 운동 메커니즘이 이 논문에서 분명하게 드러났습니다.

시뮬레이션 결과와 고속 카메라로 캡처한 이미지는 매우 일관적 이었습니다. 이는 전산 유체 역학 (CFD)이 초 소수성 표면에서 액적 움직임을 예측하는 효과적인 방법임을 나타냅니다.

이 백서는 업계의 다양한 요구 사항을 가진 기능 표면에 적합한 방법을 선택하기 위한 명시적인 지침을 제공 할 수 있습니다.

Keywords: Laser irradiation; Wettability; Droplet impact; Simulation; VOF

Introduction

서식지에 적응하기 위해 많은 자연 식물과 동물에서 특별한 습윤 표면이 진화되었습니다 [1-3]. 연잎은 먼지에 의한 오염으로부터 스스로를 보호하기 위해 우수한 자가 청소 특성을 나타냅니다 [4]. 사막 딱정벌레는 공기에서 물을 수확할 수 있는 기능적 표면 때문에 건조한 사막에서 생존 할 수 있습니다 [5].

자연 세계에서 영감을 받아 고체 기질의 표면 습윤성을 수정하는데 더 많은 관심이 집중되었습니다 [6-7]. 기능성 표면의 우수한 성능은 고유 한 표면 습윤성에 기인하며, 이는 고체 표면에서 액체의 확산 능력을 반영하는 중요한 특성 중 하나입니다 [8].

일반적으로 물 접촉각 (WCA) 값에 따라 90 °는 친수성과 소수성의 경계로 간주됩니다. WCA가 90 ° 이상인 소수성 표면, WCA가 90 ° 미만인 친수성 표면 [9 ]. 특히 고체 표면은 WCA가 10 ° 미만의 슬라이딩 각도 (SA)에서 150 °를 초과 할 때 특별한 초 소수성을 나타냅니다 [10-11].

<내용 중략> ……

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A new dynamic masking technique for time resolved PIV analysis

시간 분해 PIV 분석을위한 새로운 동적 마스킹 기술

물체 가시성을 허용하기 위해 형광 코팅과 결합 된 새로운 프리웨어 레이 캐스팅 도구

Journal of Visualization ( 2021 ) 이 기사 인용

176 액세스
지표세부

Abstract

Time resolved PIV encompassing moving and/or deformable objects interfering with the light source requires the employment of dynamic masking (DM). A few DM techniques have been recently developed, mainly in microfluidics and multiphase flows fields. Most of them require ad-hoc design of the experimental setup, and may spoil the accuracy of the resulting PIV analysis. A new DM technique is here presented which envisages, along with a dedicated masking algorithm, the employment of fluorescent coating to allow for accurate tracking of the object. We show results from measurements obtained through a validated PIV setup demonstrating the need to include a DM step even for objects featuring limited displacements. We compare the proposed algorithm with both a no-masking and a static masking solution. In the framework of developing low cost, flexible and accurate PIV setups, the proposed algorithm is made available through a freeware application able to generate masks to be used by an existing, freeware PIV analysis package.

광원을 방해하는 이동 또는 변형 가능한 물체를 포함하는 시간 해결 PIV는 동적 마스킹 (DM)을 사용해야 합니다. 주로 미세 유체 및 다상 흐름 분야에서 몇 가지 DM 기술이 최근 개발되었습니다. 대부분은 실험 설정의 임시 설계가 필요하며 결과 PIV 분석의 정확도를 떨어 뜨릴 수 있습니다. 여기에는 전용 마스킹 알고리즘과 함께 형광 코팅을 사용하여 물체를 정확하게 추적 할 수있는 새로운 DM 기술이 제시되어 있습니다. 제한된 변위를 특징으로 하는 물체에 대해서도 DM 단계를 포함해야 하는 필요성을 보여주는 검증 된 PIV 설정을 통해 얻은 측정 결과를 보여줍니다. 제안 된 알고리즘을 no-masking 및 static masking 솔루션과 비교합니다. 저비용, 유연하고 정확한 PIV 설정 개발 프레임 워크에서 제안 된 알고리즘은 기존 프리웨어 PIV 분석 패키지에서 사용할 마스크를 생성 할 수 있는 프리웨어 애플리케이션을 통해 사용할 수 있습니다.

Keywords

Time resolved PIV, Dynamics masking, Image processing, Vibration inducers, Fluorescent coating

그래픽 개요

소개

PIV (입자 영상 속도계)의 사용은 70 년대 후반 (Archbold 및 Ennos 1972 )이 반점 계측의 확장 (Barker and Fourney 1977 ) 으로 도입된 이래 실험 유체 역학에서 중심적인 역할을 했습니다 . PIV 기술의 기본 아이디어는 유체에 주입된 입자의 속도를 측정하여 유동장을 재구성하는 것입니다. 입자의 크기와 밀도는 확실하게 선택되고 유동을 만족스럽게 따르게 됩니다.

흐름은 레이저 / LED 소스를 통해 조명되고 입자에 의해 산란 된 빛은 추적을 허용합니다. 독자는 리뷰 작품 Grant ( 1997 ), Westerweel et al. ( 2013 년)에 대한 자세한 설명을 참조하십시오. 기본 2D 기술은 고유한 설정으로 발전했으며, 가장 진보 된 것은 단일 / 다중 평면 입체 PIV (Prasad 2000 ) 및 체적 / 단층 PIV (Scarano 2013 )입니다. 광범위한 유동장의 비 침습적 측정이 필요한 산업 및 연구 응용 분야에서 광범위하게 사용되었습니다.

조사된 유동장이 단단한 서있는 경계의 영향을 받는 경우 정적 마스킹 (SM) 접근 방식을 사용하여 PIV 분석을 수행하는 영역에서 솔리드 객체와 그림자가 차지하는 영역을 빼기 위해 주의를 기울여야 합니다. 실제로 이러한 영역에서는 파종 입자를 식별 할 수 없으므로 유속 재구성을 수행 할 수 없습니다. 제대로 처리되지 않으면 이 마스킹 단계는 잘못된 예측으로 이어질 수 있으며, 불행히도 그림자 영역 경계의 근접성에 국한되지 않습니다.

PIV 기술은 획득 프레임 속도를 관심있는 시간 척도로 조정하여 정상 상태 또는 시간 변화 흐름에 적용 할 수 있습니다. 시간의 가변성이 고체 물체의 위치 / 모양과 관련된 경우 이미지를 동적으로 마스킹하기 위해 추가 노력이 필요합니다. 고체 물체뿐만 아니라 다른 유체 단계도 가려야한다는 점에 유의해야합니다 (Foeth et al. 2006).

이 프로세스는 고체 물체의 움직임이 선험적으로 알려진 경우 비교적 쉬우므로 SM 알고리즘에 대한 최소한의 수정이 목적에 부합 할 수 있습니다. 그러나 고체 물체의 위치 및 / 또는 모양이 알려지지 않은 방식으로 시간에 따라 변할 경우 물체를 동적으로 추적 할 수 있는 마스킹 기술이 필요합니다. PIV 분석을위한 동적 마스킹 (DM) 접근 방식은 현재 상당한 주목을 받고 있습니다 (Sanchis and Jensen 2011 , Masullo 및 Theunissen 2017 , Anders et al. 2019 ) . 시간 분해 PIV 시스템의 확산 덕분에 고속 카메라의 가용성이 높아집니다.

DM 기술의 주요 발전은 마이크로 PIV 분야에서 비롯됩니다 (Lindken et al. 2009) 마이크로 및 나노 스위 머 (Ergin et al. 2015 ) 및 다상 흐름 (Brücker 2000 , Khalitov 및 Longmire 2002 ) 주변의 유동장을 조사 하려면 정확하고 유연한 알고리즘이 필요합니다. DM 기술은 상용 PIV 분석 소프트웨어 패키지 (TSI Instruments 2014 , DantecDynamics 2018 )에 포함되어 있습니다. 최근 개발 (Vennemann 및 Rösgen 2020 )은 신경망 자동 마스킹 기술의 적용을 예상하지만, 네트워크를 훈련하려면 합성 데이터 세트를 생성해야합니다.

많은 알고리즘은 이미지 처리 기술을 사용하여 개체를 추적하며, 대부분 사용자는 획득 한 이미지에서 추적 할 개체를 강조 표시 할 수있는 임시 실험 설정을 개발해야합니다. 따라서 실험 설정의 설계는 알고리즘의 최종 정확도에 영향을줍니다.

몇 가지 해결책을 구상 할 수 있습니다. 다음에서는 간단한 2D PIV 설정을 참조하지만 대부분의 고려 사항은 더 복잡한 설정으로 확장 할 수 있습니다. PIV 설정에서 객체를 쉽고 정확하게 추적 할 수 있도록 렌더링하는 가장 간단한 방법은 일반적으로 PIV 레이저 시트에 대략 수직 인 카메라를 향한 반사를 최대화하는 방향을 가리키는 추가 광원을 사용하여 조명하는 것입니다. 이 순진한 솔루션과 관련된 주요 문제는 PIV의 ROI (관심 영역)를 비추 지 않고는 광원을 움직이는 물체에만 겨냥하는 것이 사실상 불가능하여 시딩에 의해 산란 된 레이저 광 사이의 명암비를 감소 시킨다는 것입니다. 입자와 어두운 배경.

카메라의 프레임 속도가 높을수록 센서에 닿는 빛의 양이 적다는 사실로 인해 상황이 가혹 해집니다. 고체 물체의 움직임과 유동 입자가 모두 사용 된 설정의 획득 속도에 비해 충분히 느리다면, 가능한 해결책은 레이저 펄스 쌍 사이에 단일 확산 광 샷을 삽입하는 것입니다 (반드시 대칭 삽입은 아님). 그리고 카메라 샷을 둘 모두에 동기화합니다. 각 레이저 커플에서 물체의 위치는 확산 광에 의해 생성 된 이전 샷과 다음 샷의 두 위치를 보간하여 결정될 수 있습니다. 이 접근 방식에는 레이저, 카메라 및 빛을 제어 할 수있는 동기화 장치가 필요합니다.

이 문제에 대한 해결책이 제안되었으며 유체 인터페이스 (Foeth et al. 2006 ; Dussol et al. 2016 ) 의 밝은 반사를 활용 하여 이미지에서 많은 양의 산란 레이저 광을 획득 할 수 있습니다. 고체 표면에는 효과를 높이기 위해 반사 코팅이 제공 될 수 있습니다. 그런 다음 물체는 비정상적으로 큰 입자로 식별되고 경계를 쉽게 추적 할 수 있습니다. 이 솔루션의 단점은 물체 표면에서 산란 된 빛이 레이저 시트에 있지 않은 많은 시딩 입자를 비추어 PIV 분석의 정확도를 점진적으로 저하 시킨다는 것입니다.

위의 접근 방식의 개선은 다른 파장 의 두 번째 동일 평면 레이저 시트 (Driscoll et al. 2003 )를 사용합니다. 첫 번째 레이저 파장을 중심으로 한 좁은 반사 대역. 전체 설정은 매우 비쌀 수 있습니다. 파장 방출의 차이를 이용하여 설정을 저렴하게 만들 수 있습니다. 서로 다른 필터가 장착 된 두 대의 카메라를 적용하면 인터페이스로부터의 반사와 독립적으로 형광 시드 입자를 식별 할 수 있습니다 (Pedocchi et al. 2008 ).

객체의 변위가 작을 때 기본 솔루션은 실제 시간에 따라 변하는 음영 영역에 가장 근접한 하나의 정적 마스크를 추출하는 것입니다. 일반적인 경험 법칙은 예상되는 음영 영역보다 약간 더 크게 마스크를 그려 분석에 포함 된 조명 영역의 양을 단순화하고 최소화하는 것 사이의 최상의 균형을 찾는 것입니다.

본 논문에서는 PIV 분석을위한 DM 문제에 대한 새로운 실험적 접근법을 제안합니다. 우리의 방법은 형광 페인팅을 사용하여 물체를 쉽게 추적 할 수 있도록 하는 기술과 시변 마스크를 생성 할 수있는 특정 오픈 소스 알고리즘을 포함합니다. 이 접근법은 레이저 광에 불투명 한 물체의 큰 변위를 허용함으로써 효과적인 것으로 입증되었습니다.

우리의 방법인 NM (no-masking)과 SM (static masking) 접근 방식을 비교합니다. 우리의 접근 방식의 타당성을 입증하는 것 외에도 이 백서는 마스킹 단계가 정확한 결과를 얻기 위해 가장 중요하다는 것을 확인합니다. 실제로 물체의 변위가 무시할 수 없는 경우 DM에 대한 리조트는 필수이며 SM 접근 방식은 음영 처리 된 영역의 주변 환경에 국한되지 않는 부정확성을 유발합니다.

논문의 구조는 다음과 같습니다. 먼저 형광 코팅 기술과 마스킹 소프트웨어를 설명하는 제안된 접근법의 근거를 소개합니다. 그런 다음 PIV 설정에 대한 설명 후 두 벤치 마크 사례를 통해 전체 PIV 체인 분석의 신뢰성을 평가합니다. 그런 다음 제안 된 DM 방법의 결과를 NM 및 SM 솔루션과 비교합니다. 마지막으로 몇 가지 결론이 도출됩니다.

행동 양식

제안 된 DM 기술은 PIV 분석을 위해 캡처 한 동일한 이미지에서 쉽고 정확한 추적 성을 허용하기 위해 움직이는 물체 표면의 형광 코팅을 구상합니다. 물체가 가시화되면 특정 알고리즘이 물체 추적을 수행하고 레이저 위치가 알려지면 (그림 1 참조 ) 음영 영역의 마스킹을 수행합니다.

형광 코팅

코팅은 구조적 매트릭스 에 시판되는 형광 분말 (fluorescein (Taniguchi and Lindsey 2018 ; Taniguchi et al. 2018 )) 의 분산액으로 구성됩니다 . 단단한 물체의 경우 매트릭스는 폴리 에스터 / 에폭시 (대상 재료와의 화학적 호환성에 따라) 투명 수지 일 수 있습니다. 변형 가능한 물체의 경우 매트릭스는 투명한 실리콘 고무로 만들 수 있습니다. 형광 코팅 된 물체는 실행 중에 지속적으로 빛을 방출하기 위해 실험 전에 충분히 오랫동안 조명을 비춰 야합니다. 우리는 4W LED 소스 (그림 2 에서 볼 수 있음)에 20 초 긴 노출이 실험 실행 (몇 초)의 짧은 기간 동안 일관된 형광 방출을 제공하기에 충분하다는 것을 발견했습니다.

우리 실험에서 물체와 입자 크기 사이의 상당한 차이를 감안할 때 전자를 식별하는 것은 간단합니다. 그림 3 은 씨 뿌리기 입자와 물체 모양이 서로 다른 세 번에 겹쳐진 모습을 보여줍니다 (색상은 다른 순간을 나타냄).

대신, 이러한 크기 기반 분류가 가능하지 않은 경우 입자와 물체의 파장을 분리해야합니다. 이러한 분리는 시드 입자에 의해 산란 된 빛과 현저하게 다른 파장에서 방출되는 형광 코팅을 선택하여 달성 할 수 있습니다. 또는 레이저에서 멀리 떨어진 대역에서 방출되는 형광 입자를 이용하는 것 (Pedocchi et al. 2008 ). 두 경우 모두 컬러 이미지 획득의 채널 분리 또는 멀티 카메라 설정의 애드혹 필터링은 물체 식별을 크게 촉진 할 수 있습니다. 우리의 경우에는 그러한 파장 분리를 달성 할 필요가 없습니다. 실제로 형광 코팅의 방출 스펙트럼의 피크는 540nm입니다 (Taniguchi and Lindsey 2018 ; Taniguchi et al. 2018), 사용 된 레이저의 532 nm에 매우 가깝습니다.

마스킹 소프트웨어

DM 용으로 개발 된 알고리즘 은 무료 PIV 분석 패키지 PIVlab (Thielicke 2020 , Thielicke 및 Stamhuis 2014 ) 과 함께 작동하도록 고안된 오픈 소스 프리웨어 GUI 기반 도구 (Prestininzi 및 Lombardi 2021 )입니다. 이것은 세 단계의 순차적 실행으로 구성됩니다 (그림 1 에서 a–b–c라고 함 ). 첫 번째 단계 (a)는 장면에서 레이저 위치를 찾는 데 사용됩니다 (즉, 소스의 좌표를 계산합니다. 장애물에 부딪히는 빛); 두 번째 항목 (b)은 개체 위치를 추적하고 각 프레임의 음영 영역을 계산합니다. 세 번째 항목 (c)은 추적 된 개체 영역과 음영 처리 된 개체 영역을 PIV 알고리즘을위한 단일 마스크로 병합합니다.

각 단계에 대한 자세한 내용은 다음과 같습니다.

(ㅏ)레이저 위치는 프레임 (즉, 획득 한 프레임의 시야 (FOV)) 내에서 가시적 일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 전자의 경우 사용자는 GUI에서 레이저 소스를 클릭하여 찾기 만하면됩니다. 후자의 경우, 사용자는 음영 영역의 경계에 속하는 두 개의 세그먼트 (두 쌍의 점)를 그리도록 요청받습니다. 그러면 FOV 외부에있는 레이저 위치가 두 선의 교차점으로 계산됩니다. 세그먼트로 구성됩니다. 개체 그림자는 ROI 프레임 상자에 도달하는 것으로 간주됩니다.
(비)레이저 위치가 알려지면 물체 추적은 다음과 같이 수행됩니다. 각 프레임의 하나의 채널 (이 경우 RGB 색상 공간이 사용되기 때문에 녹색 채널이지만 GUI는 선호하는 채널을 지정할 수 있음)은 다음과 같습니다. 로컬 적응 임계 값을 사용하여 이진화 됨 (Bradley and Roth 2007), 후자는 이웃 주변의 로컬 평균 강도를 사용하여 각 픽셀에 대해 계산됩니다. 그런 다음 입자와 물체로 구성된 이진 이미지가 영역으로 변환됩니다. 우리 실험에 존재하는 유일한 장애물은 모든 입자에 비해 더 큰 크기를 기준으로 식별됩니다. 다른 전략은 이전에 논의되었습니다. 그런 다음 장애물 영역의 경계 다각형은 사용자 정의 포인트 밀도로 결정됩니다. 여기에서는 그림자 결정을 위해 광선 투사 (RC) 접근 방식을 채택했습니다. RC는 컴퓨터 그래픽을 기반으로하는 “경 운송 모델링”의 틀에 속합니다. 수치 적으로 정확한 그림자를 제공하기 때문에 여기에서 선택됩니다. 정확도는 떨어지지 만 주로 RC의 계산 부하를 줄이는 것을 목표로하는 몇 가지 다른 방법이 개발되었습니다.2015 ), 여기서 간략히 회상합니다. 각 프레임 (명확성을 위해 여기에 색인화되지 않음)에 대해 광선아르 자형나는 j아르 자형나는제이레이저 위치 L 에서 i 번째 정점 으로 캐스트됩니다.피나는 j피나는제이의 J 오브젝트의 경계 다각형 일; 목표는피나는 j피나는제이 하위 집합에 속 ㅏ제이ㅏ제이 레이저에 의해 직접 조명되는 경계 정점의 피나는 j피나는제이 에 추가됩니다 ㅏ제이ㅏ제이 만약 아르 자형나는 j아르 자형나는제이 적어도 한쪽을 교차 에스k j에스케이제이( j 번째 개체 경계 다각형 의 모든면에 걸쳐있는 k )피나는 j피나는제이 (그것이 교차로 큐나는 j k큐나는제이케이 레이저 위치와 정점 사이에 있지 않습니다. 피나는 j피나는제이). 두 개의 광선, 즉ρ1ρ1 과 ρ2ρ2추가면을 가로 지르지 않는는 저장됩니다.
(씨)일단 정점 세트, 즉 ㅏ제이ㅏ제이 레이저에 의해 직접 비춰지고 식별되었으며 ROI 프레임 상자의 음영 부분은 후자와 교차하여 결정됩니다. ρ1ρ1 과 ρ2ρ2. 두 교차점은 다음에 추가됩니다.ㅏ제이ㅏ제이. 점으로 둘러싸인 영역ㅏ제이ㅏ제이 마침내 마스크로 변환됩니다.

레이저 소스가 여러 개인 경우 각각에 RC 알고리즘을 적용해야하며 음영 영역의 결합이 수행됩니다. 레이 캐스팅 절차의 의사 코드는 Alg에보고됩니다. 1.

DM 검증

이 섹션에서는 제안 된 DM으로 수행 된 PIV 측정과 두 가지 다른 접근 방식, 즉 no-masking (NM)과 static masking (SM) 간의 비교를 제시합니다.

실험 설정

진동 유도기 (VI)의 성능을 분석하기 위해 PIV 설정을 설계하고 현재 DM 기술을 개발했습니다 (Curatolo et al. 2019 , 2020 ). 후자는 비 맥동 유체 흐름에서 역류에 배치 된 캔틸레버의 규칙적이고 넓은 진동을 유도 할 수있는 윙렛입니다. 이러한 VI는 캔틸레버의 끝에 장착되며 (그림 2 참조 ) 진동 운동의 어느 지점에서든 캔틸레버의 중립 구성을 향해 양력을 생성 할 수있는 두 개의 오목한 날개가 있습니다.

VI는 캔틸레버 표면에 장착 된 압전 패치를 사용하여 고정 유체 흐름에서 기계적 에너지 추출을 향상시킬 수 있습니다. 그림 2 에서 강조된 날개의 전체 측면 가장자리는 Sect에 설명 된 사양에 따라 형광 페인트로 코팅되어 있습니다. 2.1 . 실험은 Roma Tre University 공학부 수력 학 실험실의 자유 표면 채널에서 수행됩니다. 10.8cm 길이의 캔틸레버는 채널의 중심선에 배치되고 상류로 향하며 수직-세로 평면에서 진동합니다. 세라믹 페 로브 스카이 트 (PZT) 압전 패치 (7××캔틸레버의 윗면에는 Physik Instrumente (PI)에서 만든 3cm)가 부착되어 있습니다. 흐름 유도 진동 하에서 변형으로 인해 AC 전압 차이를 제공합니다. VI 왼쪽 날개의 수직 중앙면에있는 2D 속도 필드는 수제 수중 PIV 장비를 통해 얻었습니다.^각주1 연속파, 저비용, 저전력 (150mW), 녹색 (532nm) 레이저 빔이 2mm 두께의 부채꼴 시트에 퍼집니다.120∘120∘그림 2 와 같이 VI의 한쪽 날개를 절반으로 교차 합니다. 물은 평균 직경이 100 인 폴리 아미드 입자로 시드됩니다.μμm 및 1016 Kg / m의 밀도삼삼. 레이저 소스는 VI의 15cm 위쪽 (자유 표면 아래 약 4cm)과 VI의 하류 5cm에 경사지게 배치됩니다.5∘5∘상류. 위의 설정은 주로 날개의 후류를 조사하기 위해 고안되었습니다. 날개의 상류면과 하류 부분의 일부는 레이저 시트에 직접 맞지 않습니다. 레이저 시트에 수직으로 촬영하는 고속 상용 카메라 (Sony RX100 M5)를 사용하여 동영상을 촬영합니다. 후자는 1920의 프레임 크기로 500fps의 높은 프레임 속도 모드로 기록됩니다.×× 1080px, 나중에 더 작은 655로 잘림 ××이미지 분석 중에 분석 할 850px ROI. 시간 해결, 프리웨어, 오픈 소스, MatLab 용 PIV 분석 도구가 사용됩니다 (Thielicke and Stamhuis 2014 ). 이 도구는 질의 영역 (IA) 변형 (우리의 경우 64×× 64, 32 ×× 32 및 26 ××26). 각 패스에서 각 IA의 경계와 모서리에서 추가 변위 정보를 얻기 위해 인접한 IA 사이에 50 %의 중첩이 허용됩니다. 첫 번째 통과 후, 입자 변위 정보가 보간되어 IA의 모든 픽셀의 변위를 도출하고 그에 따라 변형됩니다.

시딩 입자 수 밀도는 첫 번째 패스에서 IA 당 약 5입니다. Keane과 Adrian ( 1992 )에 따르면 이러한 밀도 값은 95 % 유효한 탐지 확률을 보장합니다. IA는 프레임 커플 내에서 입자의 충분한 영구성을 보장하기 위해 크기가 조정됩니다. 분석 된 유동 역학은 0.4 ~ 0.7m / s 범위의 유동 속도를 특징으로합니다. 따라서 입자는 권장 최소값 인 2 프레임 (Keane and Adrian 1992 ) 보다 큰 약 3-4 프레임의 세 번째 패스 IA에 나타납니다 .

PIV 체인 분석 평가

사용 된 PIV 알고리즘의 정확성은 이전에 문헌에서 광범위하게 평가되었습니다 (예 : Guérin et al. ( 2020 ), Vennemann and Rösgen ( 2020 ), Mohammadshahi et al. ( 2020 ), Narayan et al. ( 2020 )). 그러나 PIV 측정의 물리적 일관성을 보장하기 위해 두 가지 벤치 마크 사례가 여기에 나와 있습니다.

첫 번째는 Sect에 설명 된 동일한 PIV 설정을 통해 측정 된 세로 유속의 수직 프로파일을 비교합니다. 3.1 분석 기준 용액이있는 실험 채널에서. 후자는 플로팅 트레이서로 수행되는 PTV (입자 추적 속도계) 측정을 통해 보정되었습니다. 분석 속도 프로파일은 Eq. 1 (Keulegan 1938 ).u ( z) =유∗[5.75 로그(지δ) +8.5];유(지)=유∗[5.75로그⁡(지δ)+8.5];(1)

여기서 u 는 수평 유속 성분, z 는 수직 좌표,δδ 침대 거칠기 및 V∗V∗ 균일 한 흐름 공식에 의해 주어진 것으로 가정되는 마찰 속도, 즉 유∗= U/ C유∗=유/씨; U 는 깊이 평균 유속이고 C 는 다음 과 같이 주어진 마찰 계수입니다.씨= 5.75로그( 13.3에프R / δ)씨=5.75로그⁡(13.3에프아르 자형/δ), R = 0.2아르 자형=0.2 m은 유압 반경이고 에프= 0.92에프=0.92유한 폭 채널의 형상 계수. 그림 4 는 4 초의 시간 창에 걸쳐 순간 값을 평균화하여 얻은 분석 프로필과 PIV 측정 간의 비교를 보여줍니다. 국부적 인 변동은 대략 0.5 초의 시간 척도에서 진화하는 것으로 밝혀졌습니다. PTV 결과에 가장 적합하면 다음과 같은 값이 산출됩니다.δ= 1δ=1cm, 베드 거칠기의 경우 Eq. 1 , 실험 채널 침대 표면의 실제 조건과 호환됩니다. VI의 휴지 구성 위치에서 유속의 분석 값은 그림에서 검은 색 십자가로 표시됩니다. 비교는 놀라운 일치를 보여 주므로 실험 설정과 PIV 알고리즘의 조합이 분석 된 설정에 대해 신뢰할 수있는 것으로 간주 될 수 있음을 증명합니다.

두 번째 벤치 마크는 VI 뒷면에 재 부착 된 흐름의 양을 비교합니다. 실제로 이러한 장치의 높은 캠버를 고려할 때 흐름은 하류 표면에서 분리되어 결국 다시 연결됩니다. 첨부 흐름을 나타내는 표면의 양 (Curatolo 외. 발견 2020 ) 흥미로운 압전 패치 (즉, 효율이 큰 경우에 더 빠르게 진동이 유발되는 것이다)에서 VI의 효율과 상관된다. 여기에서는 PIV 분석을 통해 측정 된 진동의 상사 점에서 재 부착 된 흐름의 길이를 CFD (전산 유체 역학) 상용 코드 FLOW-3D® (Flow Science 2019 )로 예측 한 길이와 비교하여 RANS를 해결합니다. 결합 식 (비어 스톡스 레이놀즈 평균) 케이 -ϵϵ구조화 된 그리드의 난류 폐쇄 (시뮬레이션을 위해 1mm 간격이 선택됨). 다운 스트림 측면의 흐름은 이러한 높은 캠버 VI를 위해 여러 위치에서 분리 및 재 부착됩니다. 이 벤치 마크에서 비교 된 양은 VI의 앞쪽 가장자리와 가장 가까운 흐름 재 부착 위치 사이의 호 길이입니다. 그림 5를 참조 하면 CFD 모델에 의해 예측 된 호의 길이는 측정 된 호의 길이보다 10 % 더 큽니다. 이 작업에 제시된 DM 기술을 사용하는 PIV 분석은 물리적으로 건전한 측정을 제공하는 것으로 입증됩니다. 후류의 유체 역학에 대한 자세한 분석과 VI의 전반적인 효율성과의 상관 관계는 현재 진행 중이며 향후 작업의 대상이 될 것입니다.

결과

그림 6을 참조하여 순간 유속 장의 관점에서 세 가지 접근법의 결과를 비교합니다. 선택한 순간은 진동의 상사 점에 해당합니다.

제안 된 DM (그림 6 의 패널 a )은 부드러운 유동장을 생성하여 후류에서 일관된 소용돌이 구조를 나타냅니다.

NM 접근법 (그림 6 의 패널 b1 )도 후류의 와류 구조를 정확하게 예측하지만 음영 영역에서 대부분 부정확 한 값을 산출합니다. 또한 비교에서 합리적인 기준을 추론 할 수 없기 때문에 획득 한 유동장 의 사후 필터링이 실현 가능하지 않다는 것이 분명합니다 . 실제로 유속은 그림 6 의 패널 c1에서 볼 수 있듯이 가장 큰 오류가 생성되는 위치에서도 “합리적인”크기를 갖습니다. , DM 및 NM 접근 방식으로 얻은 속도 필드 간의 차이가 표시됩니다. 더욱이 후류에서 발생하는 매우 불안정한 소용돌이 운동이 이러한 위치에 가깝게 이동하기 때문에 그럴듯한 흐름 방향을 가정하더라도 필터링 기준을 공식화 할 수 없습니다. 모델러가 그러한 부정확성을 알고 있었다하더라도 NM 접근법은 “합리적”이지만 여전히 날개의 내부 현과 그 바로 아래에있는 유동장의 대부분은 부정확합니다. 이러한 행동은 매우 오해의 소지가 있습니다.

그림 6 의 패널 b2는 SM 접근법으로 얻은 유속 장을 보여주고 패널 c2는 SM과 DM 접근법으로 얻은 결과 간의 차이를 보여줍니다. SM 접근법은 NM 대응 물에 비해 전반적으로 더 나은 정확도를 명확하게 보여 주지만, 이는 레이저 소스의 위치가 진동 중에 음영 영역이 많이 움직이지 않기 때문입니다 (그림 3 참조). 한 번의 진동 동안 VI가 경험 한 최대 변위를 육안으로 검사합니다. 즉, 분석 된 사례의 경우 정적 마스크를 그리기위한 중립 구성을 선택하면 NM 접근 방식보다 낮은 오류를 얻을 수 있습니다. 더 큰 물체 변위를 포함하는 실험 설정은 NM이 일관되게 더 정확해질 수 있기 때문에 NM보다 SM의 우월성은 일반화 될 수 없음을 강조하고 싶습니다.

그림 6 은 분석 된 접근법에 의해 생성 된 차이를 철저히 보여 주지만 결과에 대한보다 정량적 인 평가를 제공하기 위해 오류의 빈도 분포를 계산했습니다. 그림 7 에서 이러한 분포를 살펴보면 SM 접근법이 NM보다 전체적인 예측이 더 우수하고 SM 분포가 더 정점에 있음을 확인합니다. 그럼에도 불구하고 SM은 여전히 비정상적인 강도의 스파이크를 생성합니다. 분포의 꼬리로 표시되는 이러한 값은 정적 마스크 범위의 과대 평가 (왼쪽 꼬리) 및 과소 평가 (오른쪽 꼬리)에 연결됩니다. 그러나 주파수의 크기는 고려되는 경우에 SM과 NM의 적용 가능성을 배제하여 DM에 대한 리조트를 의무적으로 만듭니다.

결론

이 작업에서는 PIV 분석 도구에 DM (Dynamic Masking) 모듈을 제공하기위한 새로운 실험 기법을 제시합니다. 동적 마스킹은 유체 흐름에 잠긴 불투명 이동 / 변형 가능한 물체를 포함하는 시간 해결 PIV 설정에서 필요한 단계입니다. 마스킹 알고리즘과 함께 형광 코팅을 사용하여 물체를 정확하게 추적 할 수 있습니다. 우리는 제안 된 DM과 두 가지 다른 접근 방식, 즉 no-masking (NM)과 static masking (SM)을 비교하여 자체적으로 설계된 저비용 PIV 설정을 통해 수행 된 측정을 제시합니다. 분석 된 유동 역학은 고체 물체의 제한된 변위를 포함하지만 정량적 비교는 DM 기술을 채택해야하는 필수 필요성을 보여줍니다. 여기에서 정확성이 입증 된 현재의 실험적 접근 방식은

메모

1.실험 데이터 세트는 PIV 분석의 복제를 허용하기 위해 요청시 제공됩니다.

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이탈리아 Roma, Università Roma Tre 공학과Valentina Lombardi, Michele La Rocca, Pietro Prestininzi

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재판 및 허가

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이 기사 인용

Lombardi, V., Rocca, ML & Prestininzi, P. 시간 분해 PIV 분석을위한 새로운 동적 마스킹 기술. J Vis (2021). https://doi.org/10.1007/s12650-021-00756-0

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받은2020 년 7 월 20 일
개정2021 년 3 월 22 일
수락 됨2021 년 4 월 20 일
게시 됨2021 년 5 월 11 일
DOIhttps://doi.org/10.1007/s12650-021-00756-0

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A Numerical Study on the Keyhole Formation During Laser Powder Bed Fusion Process

Keyhole에 대한 수치적 연구 : 레이저 분말 중 형성 베드 퓨전 공정

Subin Shrestha¹
J.B. Speed School of Engineering,University of Louisville,Louisville, KY 40292
e-mail: subin.shrestha@louisville.edu

Y. Kevin Chou
J.B. Speed School of Engineering,University of Louisville,Louisville, KY 40292
e-mail: kevin.chou@louisville.edu

LPBF (Laser Powder Bed fusion) 공정 중 용융 풀의 동적 현상은 복잡하고 공정 매개 변수에 민감합니다. 에너지 밀도 입력이 특정 임계 값을 초과하면 키홀이라고 하는 거대한 증기 함몰이 형성 될 수 있습니다.

이 연구는 수치 분석을 통해 LPBF 과정에서 키홀 거동 및 관련 기공 형성을 이해하는 데 중점을 둡니다. 이를 위해 이산 분말 입자가 있는 열 유동 모델이 개발되었습니다.

이산 요소 방법 (DEM)에서 얻은 분말 분포는 계산 영역에 통합되어 FLOW-3D를 사용하는 3D 프로세스 물리학 모델을 개발합니다.

전도 모드 중 용융 풀 형성과 용융의 키홀 모드가 식별되고 설명되었습니다. 높은 에너지 밀도는 증기 기둥의 형성으로 이어지고 결과적으로 레이저 스캔 트랙 아래에 구멍이 생깁니다.

또한 다양한 레이저 출력과 스캔 속도로 인한 Keyhole 모양을 조사합니다. 수치 결과는 동일한 에너지 밀도에서도 레이저 출력이 증가함에 따라 Keyhole크기가 증가 함을 나타냅니다. Keyhole은 더 높은 출력에서 안정되어 레이저 스캔 중 Keyhole 발생을 줄일 수 있습니다.

The dynamic phenomenon of a melt pool during the laser powder bed fusion (LPBF) process is complex and sensitive to process parameters. As the energy density input exceeds a certain threshold, a huge vapor depression may form, known as the keyhole. This study focuses on understanding the keyhole behavior and related pore formation during the LPBF process through numerical analysis. For this purpose, a thermo-fluid model with discrete powder particles is developed. The powder distribution, obtained from a discrete element method (DEM), is incorporated into the computational domain to develop a 3D process physics model using flow-3d. The melt pool formation during the conduction mode and the keyhole mode of melting has been discerned and explained. The high energy density leads to the formation of a vapor column and consequently pores under the laser scan track. Further, the keyhole shape resulted from different laser powers and scan speeds is investigated. The numerical results indicated that the keyhole size increases with the increase in the laser power even with the same energy density. The keyhole becomes stable at a higher power, which may reduce the occurrence of pores during laser scanning.

Keywords: additive manufacturing, keyhole, laser powder bed fusion, porosity

Fig. 1 (a) Powder added to the dispenser platform and (b) powder particles settled over build plate after the recoating process

Fig. 2 3D computational domain used for single-track simulation

Fig. 3 Temperature-dependent material properties of Ti-6Al-4V

Fig. 4 Powder and substrate melting during laser application

Fig. 5 Melt region formed after complete melting and solidification

Fig. 6 Melt pool boundary comparison between the experiment [25] and the simulation

Fig. 7 Equilibrium points during the formation of vapor column [27]

Fig. 8 Multiple reflection vectors from the keyhole wall

Fig. 9 (a) Velocity field, keyhole profile, and breakage of the keyhole to form bubble and (b) 2D temperature and velocity field along the longitudinal section

Fig. 10 Fluid flow in the transverse direction during keyhole melting

Fig. 11 Melt pool boundary compared with the experiment [21] for 195 W laser power and 400 mm/s scan speed

Fig. 12 Melt region formed after complete melting and solidification

Fig. 13 2D images of the pores formed at the beginning of the single track and their 3D-rendered morphology

Fig. 14 Pore number and volume from a different level of power with LED = 0.4 J/mm [29]

Fig. 15 Keyhole shape at different time steps from different parameters: (a) P = 100 W, v = 250 mm/s, (b) P = 200 W, v = 500 mm/s, (c) P = 300 W, v = 750 mm/s, and (d) P = 400 W, v = 1000 mm/s

Fig. 16 Intensity dependence in the relationship between vapor column and evaporation pressure [27]

Fig. 17 Temperature distribution when laser has moved 0.8 mm with P = 300 W, v = 750 mm/s and P = 400 W, v = 1000 mm/s

Fig. 18 Melt region with different level of power with LED of 0.4 J/mm

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Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

Cristina González Fernández,¹Jenifer Gómez Pastora,²Arantza Basauri,¹Marcos Fallanza,¹Eugenio Bringas,¹Jeffrey J. Chalmers,²and Inmaculada Ortiz¹,*
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생체 유체에서 자성 입자의 연속 흐름 분리 : 마이크로 장치 형상이 분리 성능을 어떻게 결정합니까?

Abstract

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를 위한 기능화된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드는 자기적으로 회수되어 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다.

연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다. 따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다.

그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는데 있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜 주의를 기울였습니다.

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되어 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 Y-Y 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다.

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다.

우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다. 따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩 온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Keywords: particle magnetophoresis, CFD, cross section, chip fabrication

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Figure 9: Predicted three-dimensional spreading splats for a 90 µm diameter Nylon-11 droplet.

Effect of Substrate Roughness on Splatting Behavior of HVOF Sprayed Polymer Particles: Modeling and Experiments

International Thermal Spray Conference – ITSC-2006
Seattle, Washington, U.S.A., May 2006

M. Ivosevic, V. Gupta, R. A. Cairncross, T. E. Twardowski, R. Knight,
Drexel University, Philadelphia, Pennsylvania, USA
J. A. Baldoni
Duke University, North Carolina, USA

Abstract

거친 표면에 대한 입자 충격 및 변형의 3 차원 모델이 HVOF 스프레이 폴리머 입자에 대해 개발되었습니다. 유체 흐름 및 입자 변형은 FLOW-3D® 소프트웨어를 사용하는 유체 부피 (VoF) 방법으로 예측되었습니다. 스플래팅(splatting) 및 최종 스플랫 모양(splat shapes)의 역학에 대한 거칠기의 영향은 몇 가지 프로토타입 거친 표면을 사용하여 탐색 되었습니다 (예: 단계와 그루브)

또한 실제 그릿 블라스팅(grit blasted)된 강철 표면의 광학 간섭 측정에 의해 생성된 보다 사실적인 거친 표면의 수치 표현도 모델에 통합되었습니다. 예측된 스플랫 모양을 그릿 블라스팅 된 강철 기판에 증착된 나일론 11 스플랫의 SEM 이미지와 비교했습니다. 거친 기판은 부드러운 기판의 스플래팅 시뮬레이션에서 거의 관찰되지 않는 손가락 및 기타 비대칭 3 차원 불안정성을 생성했습니다.

Introduction

기판 거칠기가 용사 코팅의 접착력과 접착력을 향상 시킨다는 사실은 잘 알려져 있으며 일반적으로 받아 들여지고 있습니다 [1]. 스프레이하기 전에 기판 표면은 일반적으로 알루미나 또는 SiC와 같은 50 – 300 µm 각 세라믹 입자로 그릿 블라스팅으로 거칠게 처리됩니다.

기판 표면에 증착된 초기 스플랫의 형태는 코팅 / 기판 인터페이스의 무결성과 결과 코팅의 접착 강도에 중요한 역할을합니다. 단단하고 불규칙한 표면에 대한 열 스프레이 액적의 충격 및 변형은 액적 표면의 복잡한 대규모 3 차원 변형이 특징입니다.

충돌하는 물방울의 “스플래싱”이 발생하는 경우, 운지법 또는 위성 입자 생성 및 분리 중 새로운 표면 생성은 일반적으로 축 대칭이 아니므로 사실적인 splat 예측을 위해 3 차원 모델이 필요합니다. 이것은 정확한 3 차원 스플래팅 모델의 개발에 많은 수치적 도전을 야기합니다.

Fauchais et al. [2]는 스플랫 형성 과정과 관련하여 발표 된 논문의 대부분 (~ 98 %)이 매끄러운 표면에 대한 정상적인 액적 충격을 설명한다고보고했습니다. 게시된 작업의 2 % 미만은 매끄러운 표면에 대한 비정상적인 입자 영향과 관련이 있으며 ~ 0.1 %만이 거친 기판과 관련됩니다.

여러 저자 [3, 4]는 2 차원 모델을 사용하여 비평면 표면과 물방울의 상호 작용을 연구했거나 평행 그루브가 있는 표면에 대한 3 차원 충격 [5]을 연구했습니다. 그러나 이 접근법의 주요 단점은 거친 표면에 스플래팅의 비축 대칭 측면을 연구합니다.

최근 Raessi et al. [6] 이전에 개발된 VoF 모델 [7]을 확장하여 평평한 기판에 액적 스플래팅을 프로토 타입 거친 표면과 액적 상호 작용으로 확장했습니다. 표면 거칠기는 규칙적으로 정렬 된 정사각형 블록으로 근사화 되었습니다. Feng et al. [8]은 평평한 표면의 마찰 조건에 의해 표면 거칠기가 근사된 3 차원 Lagrangian 유한 요소 모델을 사용했습니다.

이 접근 방식은 소규모 점성 및 축 대칭 자유 표면 흐름과 관련하여 매우 정확할 수 있지만 fingering 생성 또는 satellites 생성 및 breakups 중 새로운 표면 생성과 관련된 물방울이 튀기는 경계 맞춤 기술에 적합하지 않습니다.

또한, 열 분무에 사용되는 그릿 블라스팅 표면의 평균 표면 거칠기 (Ra)는 일반적으로 50μm의 평균 액적 크기에 비해 ~ 5 ~ 30 % (~ 2 ~ 15μm)입니다. 평평한 표면에 간단한 마찰 흐름.

본 연구의 목표는 임의의 거친 기질에 영향을 미치는 HVOF 분무 중합체 입자의 모델을 개발하는 것이다. 매끄럽지 않은 표면에 대한 입자 분할 모델은 표면의 기하학적 불규칙성이 분할 거동과 최종 분할 형태에 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것입니다.

HVOF 제트에서 미크론 크기의 공급 원료 입자로의 강제 대류는 높은 대류 열 전달 계수 (h ~ 5000 – 17,000 W / (m2 K))를 특징으로 합니다. 이로 인해 입자 표면 온도가 급격히 증가하지만 폴리머 입자의 높은 내부 열 저항 (높은 Bi 수)은 입자 내부가 동일한 속도로 가열되는 것을 방지합니다. 결과적으로 더 큰 (예 : 90 µm 직경) 나일론 11 입자는 기판에 충격을 주기 전에 코어와 표면 사이에 급격한 온도 구배를 나타냅니다 (그림 1) [9, 10, 11].

Figure 1: Temperature of a 90 µm diameter Nylon 11 particle with respect to normalized particle radius (r/R) [10].

Figure 2: (a) Velocity field within a spreading 90 µm diameter particle; (Left): velocity magnitude, (Right): velocity vectors, (b) example Nylon 11 splat deposited via swipe test onto a room temperature glass slide.

또한 가파른 내부 온도 구배를 가진 HVOF 스프레이 폴리머 입자가 얇은 디스크 중앙에 크고 거의 반구형 인 코어가있는 특징적인 “튀김 달걀”모양으로 퍼졌다고 보고되었습니다 [10]. 이 모양은 저온, 고점도 코어와 고온, 저점도 표면의 유동 특성 간에 큰 방사형 차이가 있음을 나타냅니다.

변형된 입자의 예측 된 모양 (그림 2a)은 유리 슬라이드에 증착된 실험적으로 관찰 된 스플랫과 좋은 질적 일치를 나타 냈습니다 (그림 2b). 액적의 오른쪽에 표시된 속도 장 벡터 (그림 2a)는 저점도 “피부”가 고점도 코어 주위를 흐르면서 특징적인 “튀김 달걀” splat 모양이 형성되었음을 나타냅니다.

이 작업에서 보고된 실험 중에 사용된 HVOF 스프레이 매개 변수는 나일론 11을 증착하는데 사용할 수 있는 일반적인 HVOF 스프레이 매개 변수를 나타냅니다. 그러나 실험 기준 매개 변수를 중심으로 개발된 수치 모델은 개별 스플랫의 흐름 거동을 더 잘 이해하는 데 사용할 수 있습니다. 증착 효율 향상을 위한 공정 최적화를 지원합니다.

Figure 3: Boundary conditions, initial conditions and crosssection of a typical mesh used in Flow-3D

Figure 5: Cross section of four steel substrates: (a) polished with ~1 Pm alumina suspension, (b) grit blasted with #120 grit, (c) grit blasted with #50 grit, (d) grit blasted with #12 grit. Top image shows optical interferometry scan of # 120 grit blasted surface.

Figure 6: Nylon-11 splats deposited during a single run over steel substrates with roughnesses as per Figure 5.

Figure 7: Nylon-11 splat on a grit blasted steel substrate, (a) close up of a peripheral splat finger.

Figure 8: Cross-sections of predicted three-dimensional spreading splats for a 90 µm diameter Nylon-11 particle on four different surface roughnesses (dimensionless time t* = t/(D/v o (p))).

중략…….

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A K Sen1, J Darabi1, D R Knapp2 and J Liu2
1 MEMS and Microsystems Laboratory, Department of Mechanical Engineering,
University of South Carolina, 300 Main Street, Columbia, SC 29208, USA
2 Department of Pharmacology, Medical University of South Carolina, 173 Ashley Avenue,
Charleston, SC 29425, USA
E-mail: darabi@engr.sc.edu

뾰족한 탄소 섬유(CF)를 사용하는 새로운 마이크로 스케일 이미터는 질량 분석 (MS) 분석에서 전기 분무에 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유는 360 µm OD 및 75 µm ID의 용융 실리카 모세관과 동축에 위치하며 날카로운 팁은 튜브 말단에서 30 µm 연장됩니다.

Abstract

전기 분무 이온화 (ESI) 프로세스는 전기 유체 역학을 해결하기 위한 Taylor–Melcher 누설 유전체 유체 모델 및 액체-가스 인터페이스 추적을 위한 유체 부피 (VOF) 접근 방식을 기반으로 하는 전산 유체 역학 (CFD) 코드를 사용하여 시뮬레이션 됩니다. CFD 코드는 먼저 기존 지오메트리에 대해 검증한 다음 CF 이미터 기반 ESI 모델을 시뮬레이션하는데 사용됩니다.

시뮬레이션된 전류 흐름 및 전류 전압 결과는 CF 이미터의 실험 결과와 잘 일치합니다. 이미터 형상, 전위차, 유속 및 액체의 물리적 특성이 CF 이미터의 전기 분무 거동에 미치는 영향을 철저히 조사합니다.

스프레이 전류와 제트 직경은 액체의 유속, 전위차 및 물리적 특성과 상관 관계가 있으며 상관 결과는 문헌에 보고된 결과와 정량적으로 비교됩니다. (이 기사의 일부 그림은 전자 버전에서만 색상입니다)

Introduction

1980 년대 후반부터 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI)와 전기 분무 이온화 (ESI)의 두 가지 이온화 기술을 구현하여 감도, 속도 및 구조 정보 수준 측면에서 MS 분석이 엄청나게 성장했습니다. 1980 년대 초까지 전자 충격 (EI) 또는 화학 이온화 (CI) 방법은 가스 크로마토 그래피에 적합한 작은 생체 분자를 이온화 하는 데 사용되었습니다.

그러나 크고 열에 민감한 비 휘발성 샘플은 적절한 사전 처리 없이 EI 또는 CI-MS 기술로 분석 할 수 없습니다 [1]. ESI 기술을 사용하면 액체상에서 직접 이러한 큰 분자를 분석 할 수 있습니다 [2]. Zeleny [3, 4]는 출구에 높은 전위를 적용하여 모세관에서 액체 용액을 분사 할 수 있음을 보여주었습니다.

Dole [5, 6] 및 Fenn [7]의 선구적인 연구는 ESI를 고분자 및 생체 분자와 같은 대형 화합물의 이온화 방법으로 표시했습니다. 이에 이어이 기술에 의한 기상 이온 발생에 관련된 과정과 메커니즘이 널리 조사되고 있습니다.

ESI 방법에서 기체 이온화 된 분자는 강한 전계가 있는 상태에서 미세한 물방울을 생성하여 액체 용액에서 생성됩니다. ESI 프로세스의 이러한 능력은 단백질 및 기타 생체 분자 연구에 자연적으로 적용됨을 발견했습니다. ESI 방법과 관련된 다양한 프로세스가 그림 1에 나와 있습니다.

ESI 전위는 일반적으로 전도성 물질로 코팅 된 이미 터 튜브를 통해 외부에서 샘플 액체에 적용되지만 액체 샘플 내부에 적용될 수도 있습니다. Herring과 Qin [8]은 이미 터 팁에 삽입된 팔라듐 와이어를 통해 전기 분무 전위가 적용되는 모세관 전기 영동 (CE)을위한 ESI 인터페이스를 보여주었습니다.

Chiou의 설계 [9]에서는 작은 PDMS 칩에 있는 샘플 저장소, 마이크로 채널 및 실리카 모세관 노즐과 통합 된 내장 전극을 통해 전기 분무를 위한 고전압이 적용되었습니다.

Cao and Moini [10]는 ESI 전압이 모세관 내부에 위치한 전극을 통해인가되고 전기적 접촉이 출구 근처 모세관 벽의 작은 구멍을 통해 유지되는 전기 분무 방출기를 설계했습니다. 작은 모세관 직경 (~ 10 µm)을 가진 이미 터를 사용하여 낮은 전압에서 전기 분무가 가능하지만, 더 작은 구멍은 과도한 배압으로 인해 쉽게 막힐 수 있습니다.

직경이 더 큰 (> 50µm) 이미 터를 처리하는 것이 더 쉽습니다. 그러나 그들은 더 작은 직경의 이미 터만큼 효율적이지 않습니다 [11]. 일반적으로 ESI 전압을 적용하기 위해 유리 또는 용융 실리카와 같은 절연 재료로 제작 된 저 유량 이미 터의 외주에 전도성 코팅이 적용됩니다.

용융 실리카 모세관의 끝 부분에있는 스퍼터 코팅 된 귀금속 층은 내구성에 빠르게 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 코팅의 빠른 열화는 방전, 전기 화학적 반응 및 층과 용융 실리카 표면 사이의 불량한 기계적 결합으로 인해 발생할 수 있습니다.

이러한 에미 터의 수명은 스퍼터 코팅 후에 금을 전기 도금하거나 [12] 스퍼터 코팅 된 금 위에 SiOx를 코팅하여 증가시킬 수 있습니다 [13]. 크롬 또는 니켈 합금의 접착층 위에 금으로 코팅 된 이미 터는 우수한 결합력을 제공 할 수 있으며 음극으로 작동 할 때 내구성이 있습니다.

그러나 양극으로 작동하는 동안 접착층은 금 막을 통해 화학적으로 용해됩니다. 이미 터의 안정성과 내구성을 향상시키기 위해 대체 전도성 코팅이 평가되었습니다.

안정적인 ESI 작동을 위해 콜로이드 흑연 코팅 이미 터가 사용되었으며 수명이 길었습니다 [14]. 폴리아닐린 (PANI) 코팅 이미 터는 두꺼운 코팅으로 인해 높은 내구성을 보여주고 방전에 강합니다. PANIcoated와 gold-coated nanospray emitter의 electrospray ionization 거동을 비교 한 결과 PANIcoated emitter는 goldcoated emitter와 비슷한 향상된 감도를 제공합니다 [15].

그라파이트-폴리이 미드 혼합물은 또한 무 접착 전기 분무 방출기의 경우 전도성 코팅으로 사용되었습니다. 전도성 코팅의 안정성은 산화 스트레스 동안 좋은 성능을 나타내는 전기 화학적 방법에 의해 조사되었습니다 [16].

탄소 코팅 이미 터의 기능은 마이크로 스프레이 및 시스리스 CE 및 ESI 응용 분야에서 입증되었습니다. 이 이미 터는 견고하지는 않지만 방수가 되지 않는 CE 또는 ESI 애플리케이션에 충분히 내구성이있었습니다 [17].

우리는 막힘 문제를 제거하고 시료 액체와 금층 사이의 접촉 문제를 피할 수있는 뾰족한 탄소 섬유 기반의 새로운 ESI 방출기를 도입하여 ESI 시스템의 적용 성, 신뢰성 및 내구성을 향상 시켰습니다 [18]. 이 작업에서 탄소 섬유 기반 ESI 이미 터는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 패키지 FLOW-3D [19]를 사용하여 시뮬레이션됩니다.

실험은 새로운 CF 이미 터를 사용하여 수행됩니다. 모델 예측은 실험 결과와 비교됩니다. 새로운 이미 터의 ESI 성능은 이미 터의 기하학적 구조, 유속, 액체의 물리적 특성과 같은 다양한 매개 변수에 대한 반응을 연구하여 평가됩니다.

스프레이 전류 및 제트 직경은 유량 및 액체의 특성과 상관 관계가 있으며 상관 결과는 문헌에보고 된 결과와 정량적으로 비교됩니다. 다음 섹션에서 ESI 공정을 지배하는 전기 유체 역학 이론은 Taylor–Melcher 누설 유전체 모델 [20]을 참조하여 설명됩니다.

그런 다음 Hartman 등이 사용하는 ESI 구성을 고려하여 CFD 코드의 유효성을 확인합니다 [21]. 또한 CF 기반 ESI 모델에 대한 시뮬레이션 및 실험 결과가 제시되고 논의됩니다. 마지막으로 모수 연구 결과와 상관 관계를 제시하고 논의합니다.

Figure 3. Schematic of the ESI model studied by Hartman et al [21].

Figure 6. Cone-Jet profile and the electric potential contours at 19 kV; cone length is 4.3 mm.

Figure 7. A photograph of the experimental cone shape; cone length is 4.2 ± 0.2 mm [21].

Figure 15. Electric field contours at various time steps

Figure 20. Top: image of electrospray, bottom: cone-jet profile using the CF emitter. Distance between the carbon fiber tip and the counter electrode is 4.0 mm, potential difference is 3500 V, flow rate is 300 nL min−1 .

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Fig. 7. Simulation results of temperature distribution between Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) stamp cross-sectional, (B) PMMA substrate cross-sectional, (C) 3-dimensional and (D) intrinsic 3-dimensional views, respectively. The study of computed condition in nanoimprint process is at 150 o C and 50 bar during 10 min. Note that for NIL experimental parameters, the simulated results have already decided before doing nanoimprint experiment.

A non-fluorine mold release agent for Ni stamp in nanoimprint process

Tien-Li Chang a,*, Jung-Chang Wang b
, Chun-Chi Chen c
, Ya-Wei Lee d
, Ta-Hsin Chou a
a Mechanical and Systems Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Rm. 125, Building 22, 195 Section 4, Chung Hsing Road, Chutung, Hsinchu 310, Taiwan, ROC bDepartment of Manufacturing Research and Development, ADDA Corporation, Taiwan
cNational Nano Device Laboratories, Taiwan
d Research and Development Division, Ordnance Readiness Development Center, Taiwan

Abstract

이 연구는 나노 임프린트 공정에서 Ni 몰드 스탬프와 PMMA (폴리 메틸 메타 크릴 레이트) 기판 사이의 접착 방지 층으로서 새로운 재료를 제시합니다. 폴리 벤족 사진 ((6,6′-bis (2,3-dihydro3-methyl-4H-1,3-benzoxazinyl))) 분자 자기 조립 단층 (PBO-SAM)은 점착 방지 코팅제로 간주되어 불소 함유 화합물은 Ni / PMMA 기판의 나노 임프린트 공정을 개선 할 수 있습니다. 이 작업에서 나노 구조 기반 Ni 스탬프와 각인 된 PMMA 몰드는 각각 전자빔 석판화 (EBL)와 수제 나노 임프린트 장비에 의해 수행됩니다. 제작 된 나노 패턴의 형성을 제어하기 위해 시뮬레이션은 HEL (hot embossing lithography) 공정 동안 PBO-SAM / PMMA 기판의 변형에 대한 온도 분포의 영향을 분석 할 수 있습니다. 여기서 기둥 패턴의 직경은 Ni 스탬프 표면에 200nm 및 400nm 피치입니다. 이 적합성 조건에서 소수성 PBO-SAM 표면을 기반으로하여 Ni 몰드 스탬프의 결과는 품질 및 수량 제어에서 90 % 이상의 개선을 추론합니다.

Introduction

나노 임프린트 리소그래피 (NIL)는 초 미세 패터닝 기판 기술을 대량 생산할 수있는 가장 큰 잠재력입니다 [1,2]. 최근에는 광전자 장치 [3], 양자 컴퓨팅 장치 [4], 바이오 센서 [5] 및 전자 장치 [6]에 요구 될 수있는 NEMS / MEMS 기술의 빠른 개발이 이루어지고 있습니다.

따라서 기존의 포토 리소 그래프는 할당에 적합한 방법이 아닐 수 있습니다 [7]. X 선, 이온빔, 전자빔 리소그래피의 경우 LCD의 도광판 초박막 판과 같은 대 면적 패턴 제작에 적합하지 않습니다. 제어하기 어렵습니다. 일부 제작된 문제를 기반으로 NIL 프로세스는 재료, 패턴 크기, 구조 및 기판 지형면에서 유연성을 제공합니다 [8].

오늘날 NIL 제조 방법은 낮은 비용과 높은 처리량의 높은 패터닝 해상도의 조합으로 학제 간 나노 스케일 연구 및 상용 제품의 새로운 문을 열 수 있는 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 이 나노 임프린트 기술이 산업 규모 공정을 위해 충분히 성숙하기 전에 몇 가지 응용 문제를 해결해야 합니다.

각인된 몰드 공정은 종종 고온 (폴리머의 유리 전이 온도에 대해> 100oC)과 고압 (> 100bar)에서 수행되기 때문에 분명히 바람직하지 않습니다. 가열 및 냉각 공정의 열주기는 금형 및 각인 된 기판의 왜곡을 유발할 수 있습니다. 한 가지 특별한 문제는 스탬프와 폴리머 사이의 접착 방지 층 처리를 제어하여 기계적 결함이 임프린트 품질과 스탬프 수명에 영향을 미칠 수있는 중요한 패턴 결함이되는 것을 방지하는 것입니다.

Schift et al. 플루오르화 트리클로로 실란을 마이크로 미터 체제에서 실리콘에 대한 접착 방지 코팅으로 사용하는 것으로 입증되었습니다 [9]. 또한 Park et al. Ni 몰드 스탬프에 더 나은 접착 방지 코팅 공정을 달성하기 위해 불소화 실란제를 사용했습니다 [10].

그러나 지금까지 Ni 스탬프에 대한 접착 방지 코팅 처리의 NIL 공정에서 비 불소 물질에 대한 시도는 거의 이루어지지 않았습니다. 우리의 생활 환경은 그것을 유지하기 위해 불소가 아닌 물질이 필요합니다. 또한 Ni 계 소재의 부드러운 특성을 바탕으로 가장 중요한 롤러 나노 임프린트 기술을 개발할 수 있습니다.

본 연구의 목적은 Ni 스탬프와 PMMA 기판 사이의 점착 방지 코팅제로 PBO-SAM을 개발하여 나노 제조 기술, 즉 NIL을 향상시키는 것입니다.

Experiment

먼저 4,4′- 이소 프로필 리 덴디 페놀 (비스페놀 -A, BA-m), 포름 알데히드 및 메틸 아민을 반응시켜 폴리 벤족 사진을 제조 하였다. 미국 Aldrich Chemical company, Inc.에서 구입 한 모든 화학 물질. 합성 과정에서 포름 알데히드/디 옥산 및 메틸 아민 / 디 옥산 물질을 10 ^o C에서 항아리에서 10분 동안 측정하는 벤족 사진 단량체가 필요했습니다.

디 에틸 에테르를 기화시킨 후, 벤족 사진 전구체가 완성되었다. benzoxazine 전구체를 140 ^oC에서 1 시간 동안 가열하면 BA-m 폴리 벤족 사진을 얻을 수 있습니다. 다음으로 4 인치입니다.

이 연구에서는 p 형 Si (10 0) 웨이퍼를 사용할 수 있습니다. SiO2 기반 Ni (원자량 5.87g / mole) 기판의 제조를 위해 Ti (5nm) 및 SiO2 (20nm)를 순차적으로 증착 한 후 O2- 플라즈마 처리를 수행했습니다. Ni 기판과 SiO2 층 사이의 접착력을 높이기 위해 Ti 중간층이 사용되었습니다. 아세톤, 이소프로판올 및 탈 이온수를 사용하여 세척 한 후 샘플을 포토 레지스트 (ZEP520A-7, Nippon Zeon Co., Ltd.)로 스핀 코팅했습니다.

Fig. 1. Schematic diagram of nanostructures using NIL process: (A) EBL equipment for fabricated mold stamp. (B) HEL equipment for nanoimprint pattern with computer controlled electronics. (C) A nickel-based pillar mold can imprint into a PBO-SAM polymer resist layer; afterward, the mold removal and pattern transfer are based on anisotropic etching to remove reside.

마스터 몰드는 그림 1 (A)에서 Ni 필름의 반응성 이온 에칭 (RIE)과 함께 Crestec CABL8210 전자 빔 직접 쓰기 도구 (30 keV, 100 pA)를 사용하여 제작되었습니다. 그런 다음 시뮬레이션된 결과는 NIL 프로세스에서 엠보싱 압력으로 기계적 고장의 효과를 제공할 수 있으며, 이는 우리가 원하는 나노 패턴 설계 및 연구에 도움이 될 수 있습니다.

PBOSAM / PMMA 기판 모델의 변형은 3 차원 접근법에 기반한 유한 체적 방법 (FVM)을 통해 예측할 수 있습니다. Navier-Stokes 방정식 [11]에서 압력과 속도 사이의 결합은 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 이루어집니다. 2 차 상향 이산화 방식은 대류 플럭스 및 운동량의 확산 플럭스, 유체의 질량 분율에 대한 중심 차이 방식에 대해 구현됩니다. 완화 부족 요인의 일반적인 값은 0.5입니다.

수렴 기준이 1105로 설정된 연속성을 제외한 모든 변수에 대해 잔차가 1103 미만인 경우 솔루션이 수렴된 것으로 간주됩니다. 여기서 각인된 나노 패턴은 그림 1 (B)와 같이 수제 장비에서 수행한 HEL 공정을 통해 사용할 수 있습니다. PBO-SAM 코팅 방법으로 HEL 절차를 활용 한 나노 패턴의 제작은 그림 1 (C)에 개략적으로 표시되었습니다.

200nm의 얇은 PMMA 필름 (분자량 15kg / mole)을 SiO2 기판에 스핀 코팅 한 후 160oC에서 30 분 동안 핫 플레이트에서 베이킹했습니다. 또한 PBO-SAM 코팅은 접착 방지제입니다. CVD 공정에 의해 증착되었습니다. 마스터는 150oC 및 50bar에서 10 분 동안 PBO-SAM / PMMA 기판 필름에 엠보싱하여 복제되었습니다.

마지막으로, 엠보싱 된 나노 구조물의 바닥에 남아 있던 PBO-SAM / PMMA 층은 RIE 처리로 제거되었습니다. 각 임프린트 후 스탬프 및 기판의 품질이 제작 된 후 현미경을 사용하여 관찰하고 물 접촉각 (CA) 측정을 사용하여 습윤 및 접착 특성을 알아낼 수 있습니다.

Fig. 2. FTIR absorption spectrum of polybenzoxazines indicates the vibrational modes of molecular bonds.

Fig. 3. FE-SEM micrograph of Ni stamps before imprinted PMMA substrate. The pillar diameter is 200 nm, and its period is 400 nm.

Fig. 5. Contact angles of water drops on (A) a PMMA polymer film surface, and (B) a smooth PBO-SAM coating film surfaceFig. 6. Simulation of Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) A nanoimprint system geometry, and (B) its grid plot.

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Simulation of EPS foam decomposition in the lost foam casting process

X.J. Liu a,∗, S.H. Bhavnani b,1, R.A. Overfelt c,2
a United States Steel Corporation, Great Lakes Works, #1 Quality Drive, Ecorse, MI 48229, United States b 213 Ross Hall, Department of Mechanical Engineering, Auburn University, Auburn, AL 36849-5341, United States c 202 Ross Hall, Department of Mechanical Engineering, Materials Engineering Program, Auburn University, Auburn, AL 36849-5341, United States
Received 17 April 2006; received in revised form 14 July 2006; accepted 21 August 2006

Keywords: Lost foam casting; Heat transfer coefficient; Gas pressure; VOF-FAVOR

LFC (Loss Foam Casting) 공정에서 부드러운 몰드 충진의 중요성은 오랫동안 인식되어 왔습니다. 충진 공정이 균일할수록 생산되는 주조 제품의 품질이 향상됩니다. 성공적인 컴퓨터 시뮬레이션은 금형 충전 공정에서 복잡한 메커니즘과 다양한 공정 매개 변수의 상호 작용을 더 잘 이해함으로써 새로운 주조 제품 설계의 시도 횟수를 줄이고 리드 타임을 줄이는데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구에서는 용융 알루미늄의 유체 흐름과 금속과 발포 폴리스티렌 (EPS) 폼 패턴 사이의 계면 갭에 관련된 열 전달을 시뮬레이션하기 위해 전산 유체 역학 (CFD) 모델이 개발되었습니다.

상업용 코드 FLOW-3D는 VOF (Volume of Fluid) 방법으로 용융 금속의 전면을 추적 할 수 있고 FAVOR (Fractional Area / Volume Ratios) 방법으로 복잡한 부품을 모델링 할 수 있기 때문에 사용되었습니다. 이 코드는 폼 열화 및 코팅 투과성과 관련된 기체 갭 압력을 기반으로 다양한 계면 열 전달 계수 (VHTC)의 효과를 포함하도록 수정되었습니다.

수정은 실험 연구에 대해 검증되었으며 비교는 FLOW-3D의 기본 상수 열 전달 (CHTC) 모델보다 더 나은 일치를 보여주었습니다. 금속 전면 온도는 VHTC 모델에 의해 실험적 불확실성 내에서 예측되었습니다. 몰드 충전 패턴과 1-4 초의 충전 시간 차이는 여러 형상에 대해 CHTC 모델보다 VHTC 모델에 의해 더 정확하게 포착되었습니다. 이 연구는 전통적으로 매우 경험적인 분야에서 중요한 프로세스 및 설계 변수의 효과에 대한 추가 통찰력을 제공했습니다.

지난 20 년 동안 LFC (Loss Foam Casting) 공정은 코어가 필요없는 복잡한 부품을 제조하기 위해 널리 채택되었습니다. 이는 자동차 제조업체가 현재 LFC 기술을 사용하여 광범위한 엔진 블록과 실린더 헤드를 생산하기 때문에 알루미늄 주조 산업에서 특히 그렇습니다.

기본 절차, 적용 및 장점은 [1]에서 찾을 수 있습니다. LFC 프로세스는 주로 숙련 된 실무자의 경험적 지식을 기반으로 개발되었습니다. 발포 폴리스티렌 (EPS) 발포 분해의 수치 모델링은 최근에야 설계 및 공정 변수를 최적화하는 데 유용한 통찰력을 제공 할 수있는 지점에 도달했습니다. LFC 공정에서 원하는 모양의 발포 폴리스티렌 폼 패턴을 적절한 게이팅 시스템이있는 모래 주형에 배치합니다.

폼 패턴은 용융 금속 전면이 패턴으로 진행될 때 붕괴, 용융, 기화 및 열화를 겪습니다. 전진하는 금속 전면과 후퇴하는 폼 패턴 사이의 간격 인 운동 영역은 Warner et al. [2] LFC 프로세스를 모델링합니다. 금형 충진 과정에서 분해 산물은 운동 영역에서 코팅층을 통해 모래로 빠져 나갑니다.

용융 금속과 폼 패턴 사이의 복잡한 반응은 LFC 공정의 시뮬레이션을 극도로 어렵게 만듭니다. SOLA-VOF (SOLution AlgorithmVolume of Fluid) 방법이 Hirt와 Nichols [3]에 의해 처음 공식화 되었기 때문에 빈 금형을 사용한 전통적인 모래 주조 시뮬레이션은 광범위하게 연구되었습니다.

Lost foam 주조 공정은 기존의 모래 주조와 많은 특성을 공유하기 때문에이 새로운 공정을 모델링하는 데 적용된 이론과 기술은 대부분 기존의 모래 주조를 위해 개발 된 시뮬레이션 방법에서 비롯되었습니다. 패턴 분해 속도가 금속성 헤드와 금속 전면 온도의 선형 함수라고 가정함으로써 Wang et al. [4]는 기존의 모래 주조의 기존 컴퓨터 프로그램을 기반으로 복잡한 3D 형상에서 Lost foam 주조 공정을 시뮬레이션했습니다.

Liu et al. [5]는 금속 앞쪽 속도를 예측하기 위한 간단한 1D 수학적 모델과 함께 운동 영역의 배압을 포함했습니다. Mirbagheri et al. [6]은 SOLA-VOF 기술을 기반으로 금속 전면의 자유 표면에 대한 압력 보정 방식을 사용하는 Foam 열화 모델을 개발했습니다.

Kuo et al.에 의해 유사한 배압 방식이 채택되었습니다. [7] 운동량 방정식에서이 힘의 값은 실험 결과에 따라 패턴의 충전 순서를 연구하기 위해 조정되었습니다.

이러한 시뮬레이션의 대부분은 LFC 공정의 충전 속도가 기존의 모래 주조 공정보다 훨씬 느린 것으로 성공적으로 예측합니다. 그러나 Foam 분해의 역할은 대부분 모델의 일부가 아니며 시뮬레이션을 수행하려면 실험 데이터 또는 경험적 함수가 필요합니다.

현재 연구는 일정한 열전달 계수 (CHTC)를 사용하는 상용 코드 FLOW-3D의 기본 LFC 모델을 수정하여 Foam 열화와 관련된 기체 갭 압력에 따라 다양한 열전달 계수 (VHTC)의 영향을 포함합니다. 코팅 투과성. 수정은 여러 공정 변수에 대한 실험 연구에 대해 검증되었습니다.

또한, 손실 된 폼 주조에서 가장 중요한 문제인 결함 형성은 문헌에서 인용 된 수치 작업에서 모델링되지 않았습니다. 접힘, 내부 기공 및 표면 기포와 같은 열분해 결함은 LFC 작업에서 많은 양의 스크랩을 설명합니다. FLOW-3D의 결함 예측 기능은 프로세스를 이해하고 최적화하는데 매우 중요합니다.

Fig. 7. Comparison of mold filling times for a plate pattern with three ingates: (a) measured values by thermometric technique [18]; (b) predicted filling times based on basic CHTC model with gravity effect; and (c) predicted filing times based on the VHTC model with heat transfer coefficient changing with gas pressure; (d) mold filling time at the right-and wall of the mold for the plate pattern with three ingates.

Fig. 10. Defects formation predicted by (a) basic CHTC model with gravity effect; (b) VHTC model with heat transfer coefficient based on both gas pressure and coating thickness; and (c) improved model for two ingates. Color represents probability for defects (blue is the lowest and red highest).

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Figure 8 Evaluation test of thermal sprayed coatings

Development of Advanced Materials and Manufacturing Technologies for High-efficiency Gas Turbines

고효율 가스 터빈용 신소재 및 제조 기술 개발

Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 52 No. 4 (December 2015)

가스 터빈 복합 화력 (GTCC) 발전 시장은 재생 에너지와 공존 할 수 있는 가장 깨끗하고 경제적인 화력 발전 시스템으로 장기적으로 성장할 것으로 예상됩니다. 효율성을 더욱 높이려면 터빈 부품 재료의 특성을 개선하고 첨단 블레이드 설계에 필요한 복잡한 구조를 구축하기 위한 제조 기술 개발이 필수적입니다.

이 보고서는 가스 터빈의 고온 적용을 위한 재료 및 제조 기술로서 합금 설계 및 주조, 코팅, 용접 수리 및 냉각 구멍 드릴링 공정을 포함한 기술 개발을 제시합니다.

최근 몇 년 동안 세계 에너지 수요는 특히 중국과 인도와 같은 아시아 국가에서 현저하게 증가하고 있습니다. 2035 년 글로벌 에너지 소비량은 2010 년 대비 약 1.5 배 수준에이를 것으로 예상됩니다. 일본에서는 에너지 자급률이 10 % 미만이며 에너지 사용 효율을 높이고 환경 부하를 줄이는 것이 시급한 문제입니다. . 특히 현재 일본 전기 생산량의 거의 90 %를 차지하고있는 화력 발전의 효율화가 필요하다. 발전 효율은 가스 터빈 (시스템의 주요 구성 요소)의 연소 온도에 크게 영향을받습니다. 온도가 상승함에 따라 열 순환 효율이 향상 될 수 있기 때문에 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd.

(MHPS)는 1980 년대 초부터 더 높은 온도 / 더 나은 효율성 및 더 큰 용량을 가진 고급 시스템을 개발했습니다.
그림 11에서 보듯이 터빈 입구 온도는 1984 년 (Type D) 1,100 ° C 등급에서 시작하여 1989 년 1,350 ° C 등급 (Type F), 1997 년 1,500 ° C 등급 (Type 지).

또한 2011 년에는 1,600 ° C 급 가스 터빈 (J 형)이 출범했습니다 .2 2004 회계 연도부터 국가 프로젝트 “1,700 ° C 급 가스 터빈을위한 원소 기술 개발”이 시작되었습니다. J 형 가스 터빈 개발 프로젝트는 첨단 열 차단 코팅 (TBC) 및 냉각 / 공기 역학 기술과 같은 결과도 활용되었습니다 (그림 2).

가스 터빈 온도를 더욱 높이려면 이러한 고온을 견딜 수있는 신소재를 설계하고 터빈 부품의 특성을 개선하며 고급 블레이드 설계에 필요한 복잡한 구조를 구축하기 위한 제조 기술을 발명하는 것이 중요합니다.
이 보고서는 MHPS가 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI) 연구 및 혁신 센터와 함께 개발하고 있는 이러한 기술을 소개합니다.

Figure 1 Increase in the turbine inlet temperature and transition of applied materials and technologies

Characteristics of the M501J gas turbine

MHPS와 MHI는 MGA1400, MGA1400DS, MGA2400을 고온 환경에서 사용할 수 있을 만큼 내구성이 있는 고강도 Ni 계 초합금으로 개발하여 자사 제품에 적용하고 있습니다. 일반적으로 인터 빈 블레이드에 사용되는 초합금은 주조 방법에 따라 기존 주조 합금, 방향 응고 합금, 단결정 합금 중 하나로 분류됩니다.

이 세 가지 유형 중 MGA1400 및 MGA2400은 기존 주조 합금의 범주에 해당하는 반면 MGA1400DS는 방향성 응고 합금입니다 . 단결정 합금은 입자 경계가 없기 때문에 가장 강하고 (그 존재는 재료 강도 측면에서 불리 함) 입자 경계 강화를 고려하지 않고 합금 조성을 최적화 할 수 있습니다.

그러나 주조 공정에서 발생하는 주조 결함은 강도를 크게 저하시킬 수 있으므로 제조 기술의 확립이 중요합니다. 산업용 가스 터빈 블레이드는 크기가 크기 때문에 항공기 엔진보다 제조하기가 더 어렵습니다.

MHI 연구 혁신 센터는 1700 ° C 급 가스 터빈을 건설하기 위해 NIMS (National Institute for Materials Science)와 공동 연구를 수행하여 단결정 블레이드용 고내열 소재를 개발했습니다. 고온에서 재료의 강도를 검증하는 것 뿐만 아니라 결함이 없는 좋은 단결정 구조를 얻기 위한 주조 기술 개발도 필수적입니다.

신소재는 원재료 및 주조 비용 등 경제성 측면에서도 만족스러워야 한다. 또한 고온에서 필요한 모든 재료 특성 (예 : 크리프 강도, 열 피로 강도 및 내 산화성)을 나타내야 합니다. 특히 크리프 강도와 열 피로 강도의 공존을 실현하기 위한 기술 개발이 어려웠습니다.

NIMS 합금 설계 프로그램에 의해 결정된 조성으로 테스트 합금을 조사하는 동안 MHI와 NIMS는 속성 예측을 위한 데이터베이스를 확장하기 위해 주로 열 피로 강도에 대한 데이터를 수집했습니다. 이러한 노력으로 인해 크리프 강도와 열 피로 강도 모두에서 우수한 특성을 가진 단결정 합금 인 MGA1700이 개발되었습니다 (그림 3).

일반적으로 레늄과 같은 고가의 희귀 금속을 포함하는 고강도의 다른 단결정 합금과 달리 MGA1700은 콘없이 고강도를 실현하는 획기적인 합금입니다.

Figure 3 Micro structure and high-temperature strength property of the designed alloy

Figure 11 Schematic diagram of LMD Figure 13 Cross-sectional comparison of weld beads between analysis results and LMD application Figure 12 Analytical model and a typical result of the analysis — Figure 11 Schematic diagram of LMD Figure
Figure 12 Analytical model and a typical result of the analysis
13 Cross-sectional comparison of weld beads between analysis results and LMD application

중략 ……

References

1. Komori, T. et al., the 41th GTSJ Seminar material (2013) pp. 57-64 2. Yuri, M. et al., Development of 1600°C-Class High-efficiency Gas Turbine for Power Generation Applying J-Type Technology, Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 50 No. 3 (2013) pp.1-10. 3. Okada, I. et al., Development of Ni base Superalloy for Industrial Gas Turbine, Superalloy2004,(2004),p707-712. 4. Kishi, K. et al., Welding Repair Technology for Single Crystal Blade and Vane，Proceedings of the International Gas Turbine Congress, (2014), IGTC07-116S. 5. KREUTZ, E.W. et al., Process Development and Control of Laser Drilled and Shaped Holes in TurbineComponents， JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol.2 No.2 (2007), p123. 6. Sezer, H.K. et al., Mechanisms of Acute Angle Laser Drilling induced Thermal Barrier CoatingDelamination，Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol.131 (2009), p.051014-1 7. Goya, S. et al., High-Speed & High-Quality Laser Drilling Technology Using a Prism Rotator, MitsubishiHeavy Industries Technical Review Vol. 52 No. 1 (2015) pp. 106-109

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Figure 2: Computational domain and boundary conditions for the two-dimensional flow problem

3-D transient simulation of viscoelastic coating flows

점탄성 코팅 흐름의 3-D 과도 시뮬레이션

James M. Brethour
Flow Science, Inc.
Santa Fe, New Mexico USA 87505
Presented at the 13th International Coating Science and Technology Symposium, September 10-
13, 2006, Denver, Colorado1

일시적인 프로세스의 3 차원 시뮬레이션은 자유 표면 이동 중에 왜곡을 방지하기 위해 시뮬레이션 중에 업데이트 해야 하는 복잡한 메시를 생성하기 때문에 일반적으로 사용자와 컴퓨터 모두에게 매우 어렵고 지루합니다.

고정된 규칙적인 메시를 통해 유체 운동을 추적하는 Eulerian 기술을 사용하면 이러한 어려움이 제거됩니다. 이러한 방식으로, 큰 유체 변형과 심지어 분열을 계산할 수 있습니다.

이 작업에 사용된 계산 소프트웨어인 FLOW-3D® [1]는 지속적으로 변화하는 유체 영역의 자유 표면을 추적하기 위해 Volume-of-Fluid 기반 기술의 독창적이고 진정한 형태 인 TruVOF®를 사용합니다.

이 모델에 추가 된 것은 점탄성 흐름의 시뮬레이션을 가능하게 하는 사용자 정의입니다. 점탄성 모델은 형태 텐서 [2]를 사용하여 각 유체 요소의 변형 및 회전 이력을 추적합니다. 이러한 계산은 이미 흐름 모델에 존재하는 질량 보존 및 운동량 방정식과 함께 해결됩니다. 필요한 추가 매개 변수는 탄성 계수와 이완 시간입니다.

계산 결과는 슬롯 코팅 [3]에서 하류 접촉 라인이 불안정해질 때까지 코팅액의 공급이 점차 감소하는 저 유량 한계의 실험 결과와 비교됩니다. 계산 결과는 모세관 수의 변화와 유체의 탄성 모두에 대한 실험과 잘 연관되어 있습니다.

Figure 1: Two-dimensional slice of slot coating process; in the experiments, the coating gap was maintained at 100 μm, the slot gap was 125 μm, and the vacuum pressure and web speed were continously varied.

Figure 3: Plot of low flow limits in slot coating as a function of capillary number and fluid elasticity. The solid markers indicate simulation results while the open markers indicate experimental results [3]. The lines represent best-fit power-law curves.

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The Coating Application Using the Excellent Flow Modeling Software FLOW-3D

우수한 플로우 모델링 소프트웨어 FLOW-3D를 이용한 코팅 적용 연구

FLOW-3D는 미국 Flow Science Inc.에 의해 개발된 고유한 계산 유체 동적 프로그램입니다. FORE-3D는 FORDR(장애물 표현의 단편 영역 볼륨) 유한 차이 체계를 기반으로 Navier-Stokes 전체 솔버를 가지고 있습니다.

실제 VOF(Volume of Fluid) 알고리즘은 FLOW-3D에 통합되어 신뢰할 수 있는 자유 표면 흐름 분석을 제공합니다. FLOW-3D에는 다양한 물리적 모델이 있습니다. 따라서 FLOW-3D는 잉크젯 또는 코팅 등 광범위한 산업 영역에 사용됩니다.

본 논문에서는 FLOW-3D의 특징과 동적 접촉선의 직접 연산, 코팅 적용 예제를 설명합니다.

표면 파를 수반하는 세류의 시트 모양 흐름/세류가 축퇴하여 액적을 형성하는 예

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Laser Welding and Additive Manufacturing

Melt Pool Modeling: Innovation in Laser Welding & Additive Manufacturing

Additive Manufacturing 기술이 새로운 제조 방식을 계속 발전시키면서 CFD 모델링은 공정 개발 및 최적화와, 재료의 변화를 이해하고, 설계 및 연구를 수행하는 매우 유용한 도구가 되었습니다. 이 웨비나에서는 최첨단 CFD 소프트웨어 FLOW-3D AM이 레이저 파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 용융 풀 역학을 모델링하는데 어떻게 사용되는지 살펴볼 것입니다. 그런 다음 유용한 정보를 얻기 위해 모델 데이터의 추출 및 분석에 집중하고 FLOW-3D AM에서 최근에 구현된 기능에 대해 논의합니다. 마지막으로 레이저 용접 및 적층 제조 응용 분야 모두에 적용할 수 있는 관련 산업 사례 연구를 검토하여 산업 응용 분야에 소프트웨어 사용을 보여줍니다.

https://www.facebook.com/FLOW3D.CFD.Software/videos/359103388813376/

Laser Metal Deposition Simulation | FLOW-3D AM | Facebook

FLOW-3D - We'll be presenting and exhibiting at the 2021 — FLOW-3D – We’ll be presenting and exhibiting at the 2021

등록 링크https://zoom.us/webinar/register/7516034917241/WN_tik88gXJRzult2_HDNIzPA
산지 표준시(미국 및 캐나다)의 2021년 5월 5일 11:00 오전 (현지 시간)
이벤트 주최: FLOW-3D

발표자

Paree AlluSenior CFD Engineer @Flow Science, Inc.Paree Allu is a Senior CFD Engineer with Flow Science, where he leads the technical and business strategy for Flow Science’s additive manufacturing and laser welding software solutions. Paree holds a Master’s Degree in Mechanical Engineering from The Ohio State University.

Allyce JackmanCFD Engineer @Flow Science, Inc.Allyce Jackman is a CFD Engineer with Flow Science, where she specializes in laser welding, coating, and complex multiphysics applications. Allyce holds a Bachelor’s Degree in Mechanical Engineering from the University of New Mexico.

Simulation of Transient and Three-Dimensional Coating Flows Using a Volume-of-Fluid Technique

Volume-of-Fluid 기법을 사용한 과도 및 3 차원 코팅 흐름 시뮬레이션

슬라이드 코팅 흐름은 정밀 필름 코팅 제품의 제조에 널리 사용됩니다. 코팅 속도를 높이고 코팅 필름의 성능을 향상시키기 위해 슬라이드 코팅 공정을 더 잘 이해하기 위해 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 예를 들어 Chen1과 같이 잘 정의 된 한계 이상으로 코팅 속도를 높이면 코팅 비드가 완전히 파손될 수 있음이 입증되었습니다.

이 논문에서는 유체 표면의 임의, 3 차원 및 시간에 따른 변형을 설명 할 수있는 계산 방법에서 얻은 슬라이드 코팅 흐름의 시뮬레이션 결과를 제시합니다. 상용 프로그램에서 사용할 수있는이 방법은 VOF (Volume-of-Fluid) 기술 3,4로 유체를 추적하는 고정 그리드를 사용합니다. 표면 장력, 벽 접착력, 유체 운동량 및 점성 응력은 분석에서 완전히 설명됩니다.

기본 방법은 딥 코팅 데이터와의 비교를 통해 설명됩니다 5. 그런 다음 접촉 선과 동적 접촉각이 우리의 방법에서 암시 적으로 처리되는 방법에 대한 논의를 제시합니다. VOF 기술을 사용하기 때문에 유체를 포함하는 각 제어 볼륨에 작용하는 힘의 합계 만 필요합니다. 그러면 접촉 선의 위치와 동적 접촉각이 계산 된 힘 균형에서 자동으로 발생합니다. 우리의 기술은 코팅 흐름에서 시작 및 비드 분해 현상의 예와 함께 설명됩니다.

그림에서 볼 수 있듯이 신속한 공정의 경우 당사의 접근 방식은 기존 분석 방법으로는 달성하기 어려운 코팅 공정 설계 및 최적화 시뮬레이션을위한 효율성과 견고성을 제공합니다.

Introduction

모든 코팅 공정에는 일정한 조건을 달성하기 전에 코팅 재료가 큰 변형을 겪는 일종의 시작 기간이 포함됩니다. 시작 프로세스의 우수한 특성화는 낭비를 줄이고 프로세스가 원하는 한계 내에서 작동하는지 확인하는 데 종종 중요합니다.

다양한 섭동에 대한 코팅 흐름의 과도 응답에 대한 유사한 이해가 또한 바람직하여 코팅 비드의 파손 및 코팅의 불균일성을 피할 수 있습니다. 코팅 흐름의 역학은 일반적으로 비선형이고 다양한 경쟁 물리적 프로세스의 결합 된 상호 작용을 포함하기 때문에 이론적 조사를 수행하기 위해 특수한 계산 도구에 의존해야합니다.

이 작업을 위해 선택한 모델링 도구의 장점은 고정 그리드를 통해 임의의 유체 변형을 추적 할 수있는 강력한 수치 기법 인 VOF (Volume-of-Fluid) 방법을 사용한다는 것입니다. 코팅 흐름 분석에 중요한 프로그램의 다른 기능과 함께 이것이 수행되는 방식은 다음 섹션에서 설명합니다.

Overview of Numerical Method

여기에 사용 된 수치 프로그램 FLOW-3D®는 1960 년대 중반 Los Alamos National Laboratory에서 개발 된 Marker-and-Cell (MAC) 방법 6에서 유래되었습니다. 원래 MAC 방법에 대한 많은 개선이 수년에 걸쳐 이루어졌습니다.

본 출원에서 가장 흥미로운 것은 유체 영역을 찾기 위해 연속적인 유체 부피 함수에 의해 개별 마커 입자를 대체하는 것입니다. VOF 방법에서는 관심있는 계산 영역을 포함하는 사각형 제어 볼륨의 고정 그리드가 구성됩니다. 각 제어 볼륨에 대해 숫자 F는 액체가 차지하는 볼륨의 비율을 표시하기 위해 유지됩니다.

F 함수를 사용하는 것 외에도 VOF 방법은 날카로운 액체-가스 인터페이스를 유지하는 방식으로 직사각형 셀의 고정 그리드를 통해 F 함수를 전진시키기 위해 특수 수치 기법을 사용합니다. 마지막으로 VOF 방법은 경계면에서 적절한 법선 및 접선 응력 조건을 충족하기 위해 신중하게 구현 된 자유 표면 경계 조건 세트를 사용합니다. 접근 방식의 또 다른 특징은 복잡한 기하학적 영역을 정의하는 방식입니다.

장애물은 제어 볼륨의 일부를 차단할 수 있도록하여 고정 그리드에 포함됩니다. 각 제어 볼륨에서 흐름을 위해 열린 분수 영역 및 볼륨은 지오메트리 표현으로 저장됩니다. FAVOR 방법 7이라고하는이 방법은 형상을 질량, 운동량 및 에너지에 대한 이산화 된 방정식에 자동으로 통합합니다. VOF 및 FAVOR 방법을 사용하면 코팅 문제에 대한 지오메트리 및 초기 유체 구성을 정의하는 데 필요한 복잡한 그리드 생성 프로세스가 없기 때문에 시간과 노력이 절약됩니다.

다음 섹션에서는 플랫 시트에 코팅을 담그는 응용 프로그램과 함께 기본적인 수치 방법의 유용성을 설명합니다.

Dip Coating – A Validation Test

Lee와 Tallmadge는 액체 수조에서 수직으로 인출 된 평판에 딥 코팅하는 과정에 대해 광범위한 조사를 수행했습니다.

이 프로세스는 다양한 상업용 응용 프로그램에서 널리 사용됩니다. 그들의 연구는 2 차원 흐름 (즉, 가장자리 효과 없음)에 초점을 맞추고 실험 데이터에 맞는 경험적 매개 변수를 포함하는 분석 표면 프로파일로 구성되었습니다. 0.085에서 23.9 사이의 모세관 수에 대한 실험 데이터가 수집되었으며, 레이놀즈 수는 0.044에서 12.7 사이입니다. 필름 두께에 대한 실험 데이터는 약 10 % 이하로 추정되는 오류를 가졌습니다.

이 실험에 대한 계산 모델은 코팅 할 시트의 수직 (접선) 속도와 동일한 수직 (접선) 속도가 주어진 직사각형 욕조로 구성되어 매우 간단합니다. 처음에 코팅액은 수평면을 가지며 시트는 충동 적으로 시작됩니다 (그림 1c 참조). 다양한 모세관 수 사례가 시뮬레이션되었으며 모든 경우에 예측 된 필름 두께는 실험 오차 범위 내에있었습니다. 예를 들어 모세관 번호 1.17에 해당하는 경우를 고려하십시오. 시트를 3.31cm / s에서 수조 (밀도 0.885gm / cc, 표면 장력 32.7dynes / cm 및 점도 1159.4cp를 갖는 점성 윤활유)에서 꺼냈다. 우리는 2.5cm의 욕조 너비와 2.0cm의 깊이 (35 x 25 그리드 셀)를 사용했습니다.

필름 흐름을 캡처하기 위해 욕조 위의 2.0cm 영역이 모델에 포함되었습니다 (수직으로 추가 25 개 셀 필요). 수조의 오른쪽은 유체 높이가 일정하게 유지되고 압력이 수압이고 흐름이 계산 영역으로 들어갈 수있는 열린 경계 였지만 휴식에서 시작해야했습니다. 이른바 “정체”경계 조건은 움직이는 시트의 오른쪽으로 충분히 멀리 떨어져있는 경우 수평 무한 욕조에 대한 좋은 근사치입니다. 모델링이 필요한 수조의 폭을 설정하기 위해 여러 가지 계산이 수행되었으며, 필름 두께가이 폭에 크게 민감하지 않다는 것이 밝혀졌으며 그 결과는 실험에서도 발견되었습니다.

그림 1a는 초기 조건, 그림 1b는 계산 된 과도 상태의 스냅 샷, 그림 1c는 최종 정상 상태 결과를 보여줍니다. 처음에 시트에 의해 그려지는 액체 팁의 모양은 정적 접촉각 (즉, 시트와 액체 사이의 접착력)에 따라 달라지며 임의로 10 도로 취해졌습니다. 액체가 끌어 올려짐에 따라, 배출되는 액체 필름을 대체하기 위해 시트쪽으로 흐름이 시작되어야한다는 신호로서 함몰 파가 나머지 수조에 대한 신호로 오른쪽으로 이동합니다. 약 5.0 초만에 정상 상태에 도달합니다. 필름 두께는 0.145cm로 계산되었으며, 이는 0.142cm의 측정 값과 매우 일치합니다.

자세한 내용은 본문을 참고하시기 바랍니다.

Solution-Coating Technology for AMOLEDDisplays

전자 장치 응용 분야를위한 솔루션 기반 코팅 방법은 비용 절감, 성능 향상 및 새로운 기능과 같은 많은 설득력있는 이유에 대한 집중적인 연구 노력의 초점입니다.

수동 및 능동 요소 솔루션 기반 코팅에 대한 응용 범위는 디스플레이에 걸쳐 있습니다.

조명, 태양 전지, 센서, 무선 주파수 식별 (RFID)을 위한 무선 장치 및 의료 장치, 여기서 활성이라는 용어는 재료의 반도체 특성을 장치의 주요 기능으로 사용하는 것을 의미합니다. 예를 들어 다이오드 및 트랜지스터에서. 대량 생산을 달성한 대부분의 용액 기반 코팅 제품은 용액 코팅층의 전기 전도성 및 / 또는 광학적 또는 기계적 특성이 기능의 핵심인 수동 소자에 국한됩니다. 일부 예는 패턴화된 버스 라인, 반사 방지 필름, 평탄화 층 및 인광체 층입니다.

용액 코팅된 능동 소자의 몇 가지 예가 대규모 상업 생산을 달성했습니다. 액티브 매트릭스 유기 발광 다이오드 (AMOLED) 디스플레이는 유기 물질을 사용하여 핵심 활성 전자 층을 형성하는 유망한 기술입니다. AMOLED 디스플레이의 기존 상업 기술은 현재 열 증착을 사용합니다.

그리고 미세 금속 마스크를 사용하여 작은 분자 물질을 증착하지만 대형 유리로 확장하는 데는 잘 알려진 어려움이 있습니다 . 용액 코팅은 재료 낭비를 줄이고 코팅을 통해 AMOLED 생산에서 상당한 비용 절감 잠재력을 제공합니다. AMLCD 기술보다 더 낮은 비용으로 AMOLED 기술을 사용할 수 있습니다. 상세한 비용 모델은 솔루션 코팅 된 AMOLED가 소형 디스플레이 용 AMLCD보다 약 20 % 더 저렴할 수 있으며, 3 AMOLEDTV와 같은 대형 생산 라인 및 디스플레이 크기에서 비용 절감이 증가 할 것으로 예측합니다.

Solution-coated OLED fabrication can be achieved using the above process flow

DuPont Displays는 높은 AMOLED 제조 비용을 해결하기 위해 고성능 재료 및 솔루션 처리 기술의 전체 세트를 개발했습니다. 우리는 기존의 상업용 증착 기술에 비해 비용과 성능 경쟁력을 갖도록 코팅 공정을 최적화했습니다.

평판 디스플레이의 밝기 및 색상 균일 성 사양은 솔루션 코팅 AMOLED 레이어에 대한 까다로운 두께 및 균일 성 요구 사항을 제시합니다. 다양한 맞춤형 모델링 및 분석 접근 방식을 사용하여 대형 유리 크기에서 상업적으로 실행 가능한 단거리 및 장거리 필름 두께 제어 및 단일성을 개발했습니다. 이러한 코팅 기술 향상은 다른 솔루션 기반 응용 프로그램으로도 확장되어야합니다.

자세한 내용은 첨부 문서를 참고하시기 바랍니다.

Coating field – Coating with Non-Newtonian fluids (비뉴턴 유체를 이용한 코팅)

Coating with Non-Newtonian fluids (비뉴튼 유체를 이용한 코팅)

비뉴턴 유체는 뉴턴의 점성 법칙, 응력과 무관하여 일정한 점도를 가지지 않는 유체를 나타냄
FLOW-3D의 점성 모델
– Carreau function
– Power-law (멱법칙)
– Herschel-Bulkley
– 변형률에 의존
– 온도에 의존

Carreau Function ?

FLOW-3D를 이용한 비뉴턴 유체의 코팅 해석

Coating field – Gravure Coating/Printing (그라비어 코팅/인쇄)

Gravure Coating/Printing (그라비어 코팅/인쇄)

금속 실린더에 새겨진 요점에 액체가 묻어나고 금속 실린더가 회전하면서 필름 표면에 액체가 묻어나도록 하는 기법
새겨진 패턴 안에서 유체가 놓임
작동 속도를 증가할 수 있음
상세 패턴 및 이미지 인쇄에도 사용

FLOW-3D를 이용한 깊이별 그라비어 코팅

Coating field – Curtain Coating (커튼 코팅)

Curtain Coating (커튼 코팅)

기판에서 떨어지는 유체가 멈추지 않고 커튼처럼 나오면서 코팅을 함
새겨진 패턴 안에서 유체가 놓임
고르지 않은 표면도 코팅 가능
다층의 코팅으로 생산량 증대

FLOW-3D를 이용한 커튼 코팅

다층 기능
가장자리 효과를 정확하게 캡처함

Coating field – Slot Die Coating (슬롯다이 코팅)

Slot Die Coating (슬롯다이 코팅)

응용
– 배터리 전극
– 광학 코팅
– 전도성 필름
공정 파라미터
– 유량
– 롤 속도
– 기질 속도
– 유동학
품질 관리
– 코팅 두께
– 결함 최소화

슬롯다이 모델링

세밀한 형상
큰 종횡비
간단한 격자 설정

슬롯다이 내부

슬롯다이 외부

슬롯다이 비교

진공 보조 장치가 없는 슬롯 코팅
실험 결과와 매우 일치

Coating field – Roll Coating

Roll Coating (롤 코팅)

응용
– 접착제
– 밀폐제
– 섬유 산업
공정 파라미터
– 롤 속도
– 기질 속도
– 유동학
품질 관리
– 코팅 두께
– 결함 최소화

손쉬운 설정의 시뮬레이션
– STL 가져 오기 또는 기본 요소로 생성
– 간단한 직사각형 격자

롤의 속도가 코팅에 미치는 영향

전형적으로 유입구에 코팅액이 적당하게 있는 상황

롤의 회전이 역으로 작동하는 상황

유입구에 코팅액이 적게 들어오는 상황

공기가 유입된 롤 코팅

Coating Application/코팅분야 응용

해석 조건

Viscosity(점도) = 0.204 Pa-s
Density(밀도) = 965 kg/m^3
Surface tension(표면 장력) = 0.035N/m
Roll coating

물리 모델

Surface tension(표면 장력) 모델
Viscosity(점도)
Moving Objects(운동)

Classic Inlet Flooded Regime

Revers Operating Regime

Inlet Starved Operating Regime

2D 시뮬레이션은 작동 코팅 윈도우의 빠른 평가를 제공
계단식, 공기 유입, 기아 및 런백을 식별
리빙(Ribbing)은 3D 분석이 필요

해석 결과

FLOW-3D 교육 안내

HIGH-END TOP CLASS
FLOW-3D CFD EDUCATION

(주)에스티아이씨앤디에서는 FLOW-3D 제품군의 사용자 교육을 지원하고 있습니다. 홈페이지에 안내되어 있는 교육 일정과 교육신청 절차를 참고하시어 교육을 받으실 수 있습니다.

FLOW-3D 분야별 교육 과정 안내

교육 과정명 : 수리 분야

댐, 하천의 여수로, 수문 등 구조물 설계 및 방류, 월류 등 흐름 검토를 하기 위한 유동 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 유입 조건(수위, 유량 등)과 유출 조건에 따른 방류량 및 유속, 압력 분포 등 유체의 흐름을 검토를 할 수 있도록 관련 예제를 통해 적절한 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 수처리 분야

정수처리 및 하수처리 공정에서 각 시설물들의 특성에 맞는 최적 운영조건 검토 및 설계 검토을 위한 유동해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 취수부터 시작하여 혼화지, 분배수로, 응집지, 침전지, 여과지, 정수지, 협기조, 호기조, 소독조 등 각 공정별 유동 특성을 검토하기 위한 해석 모델을 설정하는 방법에 대해 알려드립니다.

교육 과정명 : 주조 분야

주조 분야 사용자들이 쉽게 접근할 수 있도록 각 공정별로 해석 절차 및 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 고압다이캐스팅, 저압다이캐스팅, 경동주조, 중력주조, 원심주조, 정밀주조 등 주조 공법 별 관련 예제를 통해 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : Micro/Bio/Nano Fluidics 분야

점성력 및 모세관력 같은 유체 표면에 작용하는 힘이 지배적인 미세 유동의 특성을 정확하게 표현할 수 있는 해석 방법에 대해 소개하는 교육 과정입니다. 열적, 전기적 물리 현상을 구현할 수 있도록 관련 예제와 함께 해석 방법을 알려드립니다.

교육 과정명 : 코팅 분야 과정

코팅 공정에 따른 코팅액의 두께, 균일도, 유동 특성 분석을 위한 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. Slide coating, Dip coating, Spin coating, Curtain coating, Slot coating, Roll coating, Gravure coating 등 각 공정별 예제와 함께 적절한 기능을 습득하실 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 레이저 용접 분야

레이저 용접 해석을 하기 위한 물리 모델과 용접 조건들을 설정하는 방법에 대해 소개하는 교육 과정입니다. 해석을 통해 용접 공정을 최적화할 수 있도록 관련 예제와 함께 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 3D프린팅 분야 과정

Powder Bed Fusion(PBF)와 Directed Energy Deposition(DED) 공정에 대한 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 파우더 적층 및 레이저 빔을 조사하면서 동시에 금속 파우더 용융지가 적층되는 공정을 해석하는 방법을 관련 예제와 함께 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 해안/해양 분야

해안, 항만, 해양 구조물에 대한 파랑의 영향 및 유체의 수위, 유속, 압력의 영향을 예측할 수 있는 해석 방법을 소개하는 과정입니다. 항주파, 슬로싱, 계류 등 해안, 해양, 에너지, 플랜트 분야 구조물 설계 및 검토에 필요한 유동해석을 하실 수 있는 방법을 알려드립니다. 각 현상에 대한 적절한 예제를 통해 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 우주/항공 분야

항공기 및 우주선의 연료 탱크와 추진체 관리장치의 내부 유동, 엔진 및 터빈 노즐 내부의 유동해석을 하실 수 있도록 관련 메뉴에 대한 설명, 설정 방법을 소개하는 과정입니다. 경계조건 설정, Mesh 방법 등 유동해석을 위한 기본적인 내용과 함께 관련 예제를 통해 기능들을 습득하실 수 있습니다.

기타 고객 맞춤형 과정

상기 과정 이외의 경우 고객의 사업 업무 환경에 적합한 사례를 중심으로 맞춤형 교육을 실시합니다. 필요하신 부분이 있으시면 언제든지 교육 담당자에게 연락하여 협의해 주시기 바랍니다.

고객센터 및 교육 담당자

전화 : 02)2026-0455, 02)2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

교육 일정 안내

교육은 정해진 일정에 시행되는 정기 교육과 고객의 요청에 의해 시행되는 특별 교육이 있습니다. 특별 교육이 실시될 경우 홈페이지를 통해 사전 공지를 합니다.

1. 연간교육 일정

FLOW-3D 연간 교육일정표 다운로드 (Excel File)

2. 교육 내용 : FLOW-3D Basic

FLOW-3D 소개 및 이론
- FLOW-3D 소개 – 연혁, 특징 등
- FLOW-3D 기본 개념
  - VOF
  - FAVOR
- 해석사례 리뷰
GUI 소개 및 사용법
- 해석 모델 작성법 – 물리 모델 설정
  - 모델 형상 정의
  - 격자 분할
  - 초기 유체 지정
  - 경계 조건 설정
- 해석 결과 분석 방법 – 해석 모델 설명
해석 모델 작성 실습
- 해석 모델 작성 실습 – 격자 분할
  - 물리 모델 설정
  - 모델 형상 및 초기 조건 정의
  - 경계 조건 설정
  - 해석 과정 모니터링
  - 해석 결과 분석
- 질의 응답 및 토의

3. 교육 과정 : FLOW-3D Advanced

Physics Ⅰ
- Density evaluation
- Drift flux
- Scalars
- Sediment scour
- Shallow water
Physics Ⅱ
- Gravity and non-inertial reference frame
- Heat transfer
- Moving objects
- Solidification
FLOW-3D POST (Post-processor)
- FLOW-3D POST 소개
- Interface Basics
- 예제 실습

FLOW-3D 교육 신청

교육 신청은 홈페이지의 교육 신청 창에서 최소 3일 전에 신청합니다.
모든 교육과정은 신청 인원이 2인 이상일때 개설되며, 선착순 마감입니다.
교육 신청을 완료하시면, 신청시 입력하신 메일주소로 교육 담당자가 확인 메일을 보내드립니다.
교육 시간은 Basic : 오전10시~오후5시, Advanced : 오후1시30분~오후5시30분까지입니다.
교육비 안내
- FLOW-3D Basic (2일) : 기업 66만원, 학생 55만원
- FLOW-3D Basic 레이저용접, 3D 프린팅(2일) : 기업 88만원, 학생 66만원
- FLOW-3D Advanced (1일) : 기업 33만원, 학생 25만원
- 상기 가격은 부가세 포함 가격입니다.
교육비는 현금(계좌이체)로 납부 가능하며, 교재 및 중식이 제공됩니다.
세금계산서 발급을 위해 사업자등록증 또는 신분증 사본을 함께 첨부하여 신청해 주시기 바랍니다.
교육 종료 후 이메일로 수료증이 발급됩니다.

FLOW-3D 교육 신청하기

고객센터 및 교육 담당자

전화 : 02)2026-0455, 02)2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

교육 장소 안내

지하철 1호선/가산디지털단지역 (8번출구), 지하철 7호선/가산디지털단지역 (5번출구)
우림라이온스밸리 B동 302호 또는 교육장
당사 건물에 주차할 경우 무료 주차 1시간만 지원되오니, 가능하면 대중교통을 이용해 주시기 바랍니다.

오시는 길

Additive Manufacturing & Welding Bibliography

다음은 적층 제조 및 용접 참고 문헌의 기술 문서 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D AM 결과가 나와 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하여 적층 제조, 레이저 용접 및 기타 용접 기술에서 발견되는 프로세스를 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

2023년 8월 7일 update

78-23 Md. Tusher Mollah, Raphaël Comminal, Marcin P. Serdeczny, Berin Šeta, Jon Spangenberg, Computational analysis of yield stress buildup and stability of deposited layers in material extrusion additive manufacturing, Additive Manufacturing, 71; 103605, 2023. doi.org/10.1016/j.addma.2023.103605

76-23 Asif Ur Rehman, Kashif Azher, Abid Ullah, Celal Sami Tüfekci, Metin Uymaz Salamci, Binder jetting of SS316L: a computational approach for droplet-powder interaction, Rapid Prototyping Journal, 2023. doi.org/10.1108/RPJ-08-2022-0264

75-23 Dengzhi Yao, Ju Wang, Hao Luo, Yuhang Wu, Xizhong An, Thermal behavior and control during multi-track laser powder bed fusion of 316 L stainless steel, Additive Manufacturing, 70; 103562, 2023. doi.org/10.1016/j.addma.2023.103562

61-23 Yaqing Hou, Hang Su, Hao Zhang, Fafa Li, Xuandong Wang, Yazhou He, Dupeng He, An integrated simulation model towards laser powder bed fusion in-situ alloying technology, Materials & Design, 228; 111795, 2023. doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111795

56-23 Maohong Yang, Guiyi Wu, Xiangwei Li, Shuyan Zhang, Honghong Wang, Jiankang Huang, Influence of heat source model on the behavior of laser cladding pool, Journal of Laser Applications, 35.2; 2023. doi.org/10.2351/7.0000963

45-23 Daniel Martinez, Philip King, Santosh Reddy Sama, Jay Sim, Hakan Toykoc, Guha Manogharan, Effect of freezing range on reducing casting defects through 3D sand-printed mold designs, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023. doi.org/10.1007/s00170-023-11112-x

39-23 Peter S. Cook, David J. Ritchie, Determining the laser absorptivity of Ti-6Al-4V during laser powder bed fusion by calibrated melt pool simulation, Optics & Laser Technology, 162; 109247. 2023. doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109247

36-23 Yixuan Chen, Weihao Wang, Yao Ou, Yingna Wu, Zirong Zhai, Rui Yang, Impact of laser power and scanning velocity on microstructure and mechanical properties of Inconel 738LC alloys fabricated by laser powder bed fusion, TMS 2023 152nd Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, pp. 138-149, 2023. doi.org/10.1007/978-3-031-22524-6_15

34-23 Chao Kang, Ikki Ikeda, Motoki Sakaguchi, Recoil and solidification of a paraffin droplet impacted on a metal substrate: Numerical study and experimental verification, Journal of Fluids and Structures, 118; 103839, 2023. doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2023.103839

30-23 Fei Wang, Tiechui Yuan, Ruidi Li, Shiqi Lin, Zhonghao Xie, Lanbo Li, Valentino Cristino, Rong Xu, Bing liu, Comparative study on microstructures and mechanical properties of ultra ductility single-phase Nb40Ti40Ta20 refractory medium entropy alloy by selective laser melting and vacuum arc melting, Journal of Alloys and Compounds, 942; 169065, 2023. doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169065

29-23 Haejin Lee, Yeonghwan Song, Seungkyun Yim, Kenta Aoyagi, Akihiko Chiba, Byoungsoo Lee, Influence of linear energy on side surface roughness in powder bed fusion electron beam melting process: Coupled experimental and simulation study, Powder Technology, 418; 118292, 2023.

27-23 Yinan Chen, Bo Li, Double-phase refractory medium entropy alloy NbMoTi via selective laser melting (SLM) additive manufacturing, Journal of Physics: Conference Series, 2419; 012074, 2023. doi.org/10.1088/1742-6596/2419/1/012074

23-23 Yunwei Gui, Kenta Aoyagi, Akihiko Chiba, Development of macro-defect-free PBF-EB-processed Ti–6Al–4V alloys with superior plasticity using PREP-synthesized powder and machine learning-assisted process optimization, Materials Science and Engineering: A, 864; 144595, 2023. doi.org/10.1016/j.msea.2023.144595

21-23 Tatsuhiko Sakai, Yasuhiro Okamoto, Nozomi Taura, Riku Saito, Akira Okada, Effect of scanning speed on molten metal behaviour under angled irradiation with a continuous-wave laser, Journal of Materials Processing Technology, 313; 117866, 2023. doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.117866

19-23 Gianna M. Valentino, Arunima Banerjee, Alexander lark, Christopher M. Barr, Seth H. Myers, Ian D. McCue, Influence of laser processing parameters on the density-ductility tradeoff in additively manufactured pure tantalum, Additive Manufacturing Letters, 4; 100117, 2023. doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100117

15-23 Runbo Jiang, Zhongshu Ren, Joseph Aroh, Amir Mostafaei, Benjamin Gould, Tao Sun, Anthony D. Rollett, Quantifying equiaxed vs epitaxial solidification in laser melting of CMSX-4 single crystal superalloy, Metallurgical and Materials Transactions A, 54; pp. 808-822, 2023. doi.org/10.1007/s11661-022-06929-2

14-23 Nguyen Thi Tien, Yu-Lung Lo, M. Mohsin Raza, Cheng-Yen Chen, Chi-Pin Chiu, Optimization of processing parameters for pulsed laser welding of dissimilar metal interconnects, Optics & Laser Technology, 159; 109022, 2023. doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.109022

9-23 Hou Yi Chia, Wentao Yan, High-fidelity modeling of metal additive manufacturing, Additive Manufacturing Technology: Design, Optimization, and Modeling, Ed. Kun Zhou, 2023.

8-23 Akash Aggarwal, Yung C. Shin, Arvind Kumar, Investigation of the transient coupling between the dynamic laser beam absorptance and the melt pool – vapor depression morphology in laser powder bed fusion process, International Journal of Heat and Mass Transfer, 201.2; 123663, 2023. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123663

199-22 Md. Tusher Mollah, Raphaël Comminal, Marcin P. Serdeczny, David B. Pedersen, Jon Spangenberg, Numerical predictions of bottom layer stability in material extrusion additive manufacturing, JOM, 74; pp. 1096-1101, 2022. doi.org/10.1007/s11837-021-05035-9

198-22 Md. Tusher Mollah, Amirpasha Moetazedian, Andy Gleadall, Jiongyi Yan, Wayne Edgar Alphonso, Raphael Comminal, Berin Seta, Tony Lock, Jon Spangenberg, Investigation on corner precision at different corner angles in material extrusion additive manufacturing: An experimental and computational fluid dynamics analysis, Proceedings of the 33rd Annual Solid Freeform Fabrication Symposium, 2022.

197-22 Md. Tusher Mollah, Marcin P. Serdeczny, Raphaël Comminal, Berin Šeta, Marco Brander, David B. Pedersen, Jon Spangenberg, A numerical investigation of the inter-layer bond and surface roughness during the yield stress buildup in wet-on-wet material extrusion additive manufacturing, ASPE and euspen Summer Topical Meeting, 77, 2022.

182-22 Chan Kyu Kim, Dae-Won Cho, Seok Kim, Sang Woo Song, Kang Myung Seo, Young Tae Cho, High-throughput metal 3D printing pen enabled by a continuous molten droplet transfer, Advanced Science, 2205085, 2022. doi.org/10.1002/advs.202205085

180-22 Xu Kaikai, Gong Yadong, Zhang Qiang, Numerical simulation of dynamic analysis of molten pool in the process of direct energy deposition, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022. doi.org/10.1007/s00170-022-10271-7

179-22 Yasuhiro Okamoto, Nozomi Taura, Akira Okada, Study on laser drilling process of solid metal on its liquid, International Journal of Electrical Machining, 27; 2022. doi.org/10.2526/ijem.27.35

175-22 Lu Min, Xhi Xiaojie, Lu Peipei, Wu Meiping, Forming quality and wettability of surface texture on CuSn10 fabricated by laser powder bed fusion, AIP Advances, 12.12; 125114, 2022. doi.org/10.1063/5.0122076

174-22 Thinus Van Rhijn, Willie Du Preez, Maina Maringa, Dean Kouprianoff, An investigation into the optimization of the selective laser melting process parameters for Ti6Al4V through numerical modelling, JOM, 2022. doi.org/10.1007/s11837-022-05608-2

171-22 Jonathan Yoshioka, Mohsen Eshraghi, Temporal evolution of temperature gradient and solidification rate in laser powder bed fusion additive manufacturing, Heat and Mass Transfer, 2022. doi.org/10.1007/s00231-022-03318-8

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126-22 Jingqi Zhang, Yingang Liu, Gang Sha, Shenbao Jin, Ziyong Hou, Mohamad Bayat, Nan Yang, Qiyang Tan, Yu Yin, Shiyang Liu, Jesper Henri Hattel, Matthew Dargusch, Xiaoxu Huang, Ming-Xing Zhang, Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys, Nature Communications, 13; 4660, 2022. doi.org/10.1038/s41467-022-32446-2

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118-22 AmirPouya Hemmasian, Francis Ogoke, Parand Akbari, Jonathan Malen, Jack Beuth, Amir Barati Farimani, Surrogate modeling of melt pool thermal field using deep learning, SSRN, 2022. doi.org/10.2139/ssrn.4190835

117-22 Chiara Ransenigo, Marialaura Tocci, Filippo Palo, Paola Ginestra, Elisabetta Ceretti, Marcello Gelfi, Annalisa Pola, Evolution of melt pool and porosity during laser powder bed fusion of Ti6Al4V alloy: Numerical modelling and experimental validation, Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2022. doi.org/10.1007/s40516-022-00185-3

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110-22 Haotian Zhou, Haijun Su, Yinuo Guo, Peixin Yang, Yuan Liu, Zhonglin Shen, Di Zhao, Haifang Liu, Taiwen Huang, Min Guo, Jun Zhang, Lin Liu, Hengzhi Fu, Formation and evolution mechanisms of pores in Inconel 718 during selective laser melting: Meso-scale modeling and experimental investigations, Journal of Manufacturing Processes, 81; pp. 202-213, 2022. doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.072

109-22 Yufan Zhao, Huakang Bian, Hao Wang, Aoyagi Kenta, Yamanaka Kenta, Akihiko Chiba, Non-equilibrium solidification behavior associated with powder characteristics during electron beam additive manufacturing, Materials & Design, 221; 110915, 2022. doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110915

107-22 Dan Lönn, David Spångberg, Study of process parameters in laser beam welding of copper hairpins, Thesis, University of Skövde, 2022.

106-22 Liping Guo, Hongze Wang, Qianglong Wei, Hanjie Liu, An Wang, Yi Wu, Haowei Wang, A comprehensive model to quantify the effects of additional nano-particles on the printability in laser powder bed fusion of aluminum alloy and composite, Additive Manufacturing, 58; 103011, 2022. doi.org/10.1016/j.addma.2022.103011

104-22 Hongjiang Pan, Thomas Dahmen, Mohamad Bayat, Kang Lin, Xiaodan Zhang, Independent effects of laser power and scanning speed on IN718’s precipitation and mechanical properties produced by LBPF plus heat treatment, Materials Science and Engineering: A, 849; 143530, 2022. doi.org/10.1016/j.msea.2022.143530

101-22 Yufan Zhao, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba, A survey on basic influencing factors of solidified grain morphology during electron beam melting, Materials & Design, 221; 110927, 2022. doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110927

98-22 Jon Spangenberg, Wilson Ricardo Leal da Silva, Md. Tusher Mollah, Raphaël Comminal, Thomas Juul Andersen, Henrik Stang, Integrating reinforcement with 3D concrete printing: Experiments and numerical modelling, Third RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication, Eds. Ana Blanco, Peter Kinnell, Richard Buswell, Sergio Cavalaro, pp. 379-384, 2022.

93-22 Minglei Qu, Qilin Guo, Luis I. Escano, Samuel J. Clark Kamel Fezzaa, Lianyi Chen, Mitigating keyhole pore formation by nanoparticles during laser powder bed fusion additive manufacturing, Additive Manufacturing Letters, 100068, 2022. doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100068

86-22 Patiparn Ninpetch, Prasert Chalermkarnnon, Pruet Kowitwarangkul, Multiphysics simulation of thermal-fluid behavior in laser powder bed fusion of H13 steel: Influence of layer thickness and energy input, Metals and Materials International, 2022. doi.org/10.1007/s12540-022-01239-z

85-22 Merve Biyikli, Taner Karagoz, Metin Calli, Talha Muslim, A. Alper Ozalp, Ali Bayram, Single track geometry prediction of laser metal deposited 316L-Si via multi-physics modelling and regression analysis with experimental validation, Metals and Materials International, 2022. doi.org/10.1007/s12540-022-01243-3

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FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (4)

코팅 분야의 활용

코팅(coating)이란 기판 위의 공기를 액상의 코팅액으로 대체하는 것을 말하고, 코팅 공정은 고분자 용액, 현탁액, 등의 코팅액이 기판 위에 도포됨으로써 마이크로 단위 이하의 액막을 만드는 공정이라고 할 수 있다.

<슬롯(Slot)코팅의 유동 전개>

코팅 공정의 산업적 응용 범위는 매우 넓다. 예를 들면, LCD/PDP 등과 같은 디스플레이, 자성 또는 광학 디스크, 노광, 고집적회로 기판, 광섬유 등의 일반 산업용 및 가정용에 이르기까지 코팅 공정은 모든 산업의 핵심이 되는 분야라고 할 수 있다.
최근 그 중요성으로 인해 코팅 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 생산 속도를 빠르게 하면서 얇고 정밀한 코팅 제품을 생산하기 위한 최적화, 안정성 연구, 다층 필름 및 동시 양면 코팅 제품 등과 같이 코팅의 기능성을 부여하는 신기술 개발, 환경 문제를 해결하기 위한 비 뉴턴(Non-Newtonian) 특성의 코팅액 개발, 최적의 공정 조건을 도출하고자 하는 이론적, 실험적 연구 등이 그것이다.
코팅 공정을 안정되게 유지하기 위해서는 코팅 비드(bead) 내에 작용하는 관성력, 점성력, 모세관력 그리고 외력의 상관관계를 고찰할 필요가 있다. 이를 위해서는 코팅액의 물성, 다이의 구조, 운전 조건 등의 공정 조건을 체계적으로 분석하여야 한다. 코팅액의 유변학적 물성 중에는 점도, 표면장력, 밀도 등이 동특성에 큰 영향을 준다.
또한 코팅액이 웹(web)에 닿을 때의 접촉각, 웹 특성도 공정 해석에 주요 인자이다. 장비의 설계에 있어서는 다이의 기하구조와 더불어 다이 립(lip)의 배치도 중요하다. 이들은 코팅액의 유동과 압력 분포에 크게 영향을 미치기 때문에 여러 형태의 다이 구조가 제안되고 있다. 운전변수는 생산성을 결정짓는 웹 속도를 비롯하여 필름 두께, 공급 유량, 코팅 갭 등이 있다. 이외에도 외력으로 작용하는 전자기력 또는 상류흐름(upstream) 영역 밖에서 가해주는 압력 강하도 고려되어야 한다. 다양한 공정 변수들의 효과는 여러 무차원수로 표현하여 설명하는 것이 적절하다. 가장 중요한 무차원 변수는 카필러리 수(Capillary number)라고 할 수 있는데 용액의 점도와 웹 속도에 대한 표면장력의 비로 정의된다.

참고로 유체역학에서 모세관수는 서로 섞이지 않는 두 유체의 점도와 표면 장력의 상대적 영향력을 나타내는 무차원 수이다.
한편, 코팅 방식의 종류는 코팅 대상물의 구조 및 종류, 코팅액, 코팅 두께 등에 따라 다음과 같이 분류된다.

■ 슬라이드(Slide) 코팅
■ 딥(Dip) 코팅
■ 스핀(Spin) 코팅
■ 커튼(Curtain) 코팅
■ 슬롯(Slot) 코팅
■ 롤(Roll) 코팅
■ 그라비어(Gravure) 코팅

이번 호에서는 FLOW-3D를 이용하여 다양한 코팅방식에 대한 간단한 예제 및 코팅 공정에서 발생하는 불량의 해석 사례를 제시하고자 하며, 또한 최근에 가공 시간 및 공정 단축을 위해 자주 시도되고 있는 다층 동시 코팅에 대해서도 간략하게 언급하고자 한다.

다운로드 : [ 4회_201804_analysis_flow3d ]

작성자 | 홍규선_에스티아이C&D 솔루션 사업부 이사
이메일 | flow3d@stikorea.co.kr
홈페이지 | www.flow3d.co.kr

출처 : CAD&Graphics 2018년 04월호

수치해석 용역 실적

수행 실적

No	사업명	발주처
1	성남정수장 3차원 유동해석	한국수자원공사
2	소양강댐 홍수방지벽 설치공사 실시설계용역(수치모형실험)	도화종합기술공사
3	용담댐 도수터널 취수탑 유입수량 유속분포(수치모형실험)	한국수자원공사
4	대곡댐 여수로 문비설치 기본 및 실시설계(수치해석)	도화종합기술공사
5	영천댐 치수능력 증대방안 실시설계(실시모형실험)	도화종합기술공사
6	시화조력발전소 축조공사 턴키설계를 위한 CFD 수치모형실험	대우건설
7	평화의댐 2단계사업 시설공사 실시설계(수치모형실험)	도화종합, 삼안건설, 한국종합개발기술공사
8	광동달방댐 치수능력증대사업 기본 및 실시설계영역(수치모형실험)	도화종합, 삼안건설기술공사
9	광양 3단계 공업용수도 실시설계용역(여수로 수치모형실험,수어댐)	삼안건설기술공사
10	탐진 다목적댐 치수능력 증대방안용역(수치해석)	삼안건설기술공사
11	댐 상수원 설계표준도 작성용역	삼안건설기술공사
12	보성강댐 정밀안전진단(3D모델링 수치해석)	한국시설안전관리공단
13	반월정수장 노후시설 개량 기본 및 실시설계용역(수치해석 부분)	한국종합엔지니어링
14	청송양수발전소 1,2호기 설계기술용역/여수로 3차원 수치해석용역	현대엔지니어링
15	소양강댐 보조여수로 설치공사 기본설계입찰 수치모형실험용역	SK건설
16	잠실 수중보 어도개선 기본 및 실시설계	도화종합기술공사
17	서귀포시 동부하수종말처리장 고도처리시설 기본 및 실시설계용역	삼안건설기술공사
18	서귀포시 서부하수종말처리장 고도처리시설 기본 및 실시설계용역	선진엔지니어링
19	오산 제2하수처리장 건설사업입찰 기본설계용역 중 3차원 수치유동해석 분야	엘지건설
20	당진화력 7,8호기 취수로 수치모델링	한국동서발전주식회사
21	녹산배수펌프장 건설공사 대안설계용역 중 펌프장 흐름해석 부문	한국종합기술개발공사
22	대암댐 치수능력증대사업 기본 및 실시설계(2차) 수치해석	현대엔지니어링
23	용인흥덕 쓰레기 이송관로 입찰설계	벽산엔지니어링
24	군산하수처리장 고도처리사업 턴키공사 기본설계 전산유체해석	부강테크(GS건설)
25	임하댐 비상여수로 건설공사 기본설계용역(수치모형실험)	삼안건설기술공사
26	대청댐 비상여수로 건설공사 턴키설계용역(수치해석)	삼안건설기술공사
27	섬진강댐 재개발 실시설계용역(수치모형실험)	삼안건설기술공사
28	한강하류권급수체계구축사업 제3공구 생활용수정수장 대안설계	신우엔지니어링
29	임하댐 취수설비 개선공사 기본 및 실시설계용역 중 전산유체유동해석	유신코퍼레이션
30	광명 소하 쓰레기 자동집하시설 건설공사 T/K 기본설계용역	유신코퍼레이션
31	공주막여과정수장 수처리구조물의 합리적 설계를 위한 전산유체해석	한국수자원공사
32	김포장기지구 쓰레기 자동집하시설의 수치해석	한화건설
33	군장국가산단(장항지구)호안도로 축조공사 갑문수치모의실험	항도엔지니어링(포스코건설)
34	대청댐 비상여수로 건설공사 턴키설계용역	(주)삼안
35	성남판교 자동크린넷시설공사 T/K 기본설계(설계용역)	건화엔지니어링
36	영등포정수장 재건설 및 고도정수처리 시설공사 턴키설계용역중 수리구조물 전산 유체 해석부분	삼성건설
37	보령7,8호기 배수로 수치해석	한국전력기술
38	보령1~6호기 배수로 수치해석	한국전력기술
39	LNG 지하저장 실증기술개발 중 유속에 의한 Ice Ring 형성조건연구	한국지질자원연구원
40	LNG 지하저장 실증기술개발 중 유속에 의한 Ice Ring 형성조건연구	SK건설
41	파주 운정지구 쓰레기 집하시설 수집관로 수치해석	건화엔지니어링
42	마그네슘블록 유동,응고,응력 해석	대림기업(주)
43	군남홍수조절지건설공사 기본 및 실시설계용역	도화종합기술공사
44	안동댐 비상여수로 기본설계용역 수치모형실험	에스케이건설
45	세탁기 Duct 부품의 Aluminum Die-Casting CAE 해석방안 개발	엘지전자
46	광양 2~3연주기 고속 주조시 몰드내 열유동응고해석	포스코
47	Cam-shaft 다이캐스팅용 금형설계 및 주조방안 해석	한국생산기술연구원
48	팔당수력댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역	한국시설안전기술공단
49	담체거동을 고려한 호기조 유동해석	한수테크니컬서비스
50	피스톤 쿨링젯 해석기술 개발 기술용역	현대자동차
51	아산 방조제 배수갑문확장사업 1단계 대안설계	삼안건설기술공사
52	하동화력 7,8호기 냉각수 배수구 전면 저류지 축조공사 3차원 수치모형실험 해석	제이슨기술단
53	의암수력댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역	한국시설안전기술공단
54	춘천 및 보성강댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역	한국시설안전기술공단
55	소양강댐 여수로 방류흐름개선을 위한 수치모형실험 용역	한국시설안전기술공단
56	제천시 하수관거정비 임대형 민자사업(BTL) 기본설계용역 중 수충격검토	(주)바셈
57	금강살리기 행복지구 생태하천 조성공사	계룡건설산업
58	첫마을지구 생활폐기물 자동집하시설 건설공사 기본설계 T/K	도화종합기술공사
59	괴산댐 가능최대홍수량에 대한 댐체월류시 구조적 안정성 검토용역	한국시설안전기술공단
60	충남도청 이전신도시 자동집하시설 건설공사 T/K입찰 기본설계 용역	(주)건화
61	영등포정수장 3D 모델링	(주)대우건설
62	화순홍수조절지 기본 및 실시설계 용역	(주)도화종합기술공사
63	재천시 하수관거정비 임대형 민자사업(BTL) 기본설계용역 중 수충격검토	(주)바셈
64	한탄강댐본댐 및 부대시설 공사 설계 변경 용역	(주)삼안
65	새만금 방수제 만경5공구 건설공사 기본설계 용역(3차원 수치해석)	(주)삼안
66	연속 주조시 발생되는 몰드 내 열응력 영향 해석	(주)엔지비
67	낙동강하구둑 배수문 증설공사 기본설계용역 중3차원 수치해석	(주)유신
68	뚝도정수센터 시설현대화 및 고도정수처리시설 실시설계 수치해석 용역	신우엔지니어링
69	파주운정쓰레기 자동집하시설 건설공사(T/K)	태영건설
70	거제평프장	도화
71	광교댐수치해석	도화
72	Slag Pouring 및 이송 시 열유동해석	매탈젠텍(POSCO)
73	LICC DP	매탈젠텍(POSCO)
74	PFC DP 공정 해석	매탈젠텍(RIST)
75	행복도시하수처리장	이산
76	다이캐스팅 주조방안 및 해석	코다코(캐스트맨 매출)
77	전착성능해석용 차체모델링+전착 이차흐름	현대기아기술연구소
78	고열전도성 다이캐스팅 경량 방열부품개발	현대자동차
79	엔진/변속기1 (전륜8속 TM 케이스 및 하우징 방안설계 최적화)	현대자동차
80	쇽업쇼버 케이스 해석 용역	현대자동차
81	엔진/변속기2 (세타/실린더헤드 및 후륜 다단변속기 케이스2개 제품)	현대자동차
82	엔진/변속기3 / 6월	현대자동차
83	엔진/변속기4 / 8월	현대자동차
84	고강도 저밀도 산합금 열물성 DB 및 주조해석	현대자동차
85	진공밸브 최적화	현대자동차
86	Bloom 해석(연주기 몰드 내 용강 유동해석)	현대제철
87	상수도관망 최적관리시스템 구축사업(고성군)	태성종합기술
88	신월빗물저류배수시설 3차원수치해석	선진ENG
89	실러류 해석기술 개발	현대기아기술연구소
90	고덕하수처리장 수치해석	그레넥스
91	고덕하수처리장 수치해석	엔바이로솔루션
92	라오스수력발전프로젝트	SK건설
93	슬리브내 역비산	기아차
94	송석지 싸이폰 여수로	농어촌공사(충남도본부 예산지사)
95	고풍지 싸이폰 여수로	농어촌공사(충남도본부)
96	광교저수지 싸이폰 여수로	지자체(수원시)
97	장수지 싸이폰 여수로	지자체(전남공흥군)
98	광폭 마그네슘 주조기 용해로 열변형 해석용역	포스코
99	350톤 양수냄비 다이캐스팅 개발	해피콜
100	Mg 빌렛 해석	HMK
101	관망해석 프로그램 개발	국민대학교
102	충주댐 하류가물막이 수치해석	대림산업
103	충주댐 하류가적치 수치해석	대림산업
104	충주댐 하류가적치 수치해석	대림산업
105	평화의댐 하류부지 계획고 조정에 따른 3D 수치해석 용역	대림산업
106	봉화댐 실시설계 3차원 수치모형 실험	도화엔지니어링
107	원통수조 교반해석	도화엔지니어링
108	DAF 실증시설 부상조 수치해석	삼진정밀
109	EI과제 프로그램 개발(건기연(정우식박사))	오투엔비
110	SEMANGKA HEPP 수치모형 실험	이산
111	공릉저수지 조류 및 유속분포 유동해석	한국건설기술연구원
112	교육 및 해석 기술 자문	한국건설기술연구원
113	터빈하우징 로스트폼 주조 용역	한국생산기술연구원
114	터빈하우징 로스트폼 주조 용역	한국생산기술연구원
115	교육 및 해석 기술 자문	해안해양기술
116	새만금 남북2축 도로 제 3공구해석	E&H컨설턴트
117	달천교 교각세굴 해석	E&H컨설턴트
118	Lean Amine Air Cooler 부식원인 분석을 위한 유동해석	GS칼텍스
119	Xe Pian 하류 변경안 해석	SK건설
120	멤브레인 CFD 프로그램 개발	국민대학교
121	원형관 내부 유동해석	서울시립대학교
122	우수저류지 세척 시스템 해석	선일엔바이로
123	MD 열교환 해석(2차)	알이디
124	모듈조합프로그램 개발	오투앤비
125	해양 구조물 세굴해석	전남대학교
126	하우징 다이캐스팅 해석	제이에스테크
127	막묘듈 열교환 해석	한국건설기술연구원
128	두량지 PK Weir 방류량 해석	한국농어촌공사
129	관내 유동해석	GS칼텍스
130	정수장 분배수로 응집지 해석	그린텍환경컨설팅
131	정수장 분배수로 응집지 해석	그린텍환경컨설팅
132	주조	제일테크
133	해저구조물 세굴 및 선박유동 해석	창원대학교(ADD)
134	고출력 저압 램프용 자외선 반응기 해석	한국건설기술연구원
135	고출력 중압 램프용 자외선 반응기 해석	한국건설기술연구원
136	과제 해석	한국건설기술연구원
137	이동식보&팬스	한국건설기술연구원
138	Point source 기반의 하천 녹조 발생 현황 2차원 mapping 시스템	한국건설기술연구원
139	해석지원	한국종합기술
140	데이터교환customizing	한국항공우주연구원
141	엔진소재의 주조방안 최적화를 위한 주조해석 기술용역	현대자동차
142	배관유동	GS건설
143	울산 소수력 수치해석 용역	유신
144	한국건설기술연구원-이동형 해수담수화 시스템 개발 컨설팅	한국건설기술연구원
145	Water Dynamometer 해석	두산중공업
146	약액 침전 외 2건 해석	세메스
147	Ladle 내 Dam 및 노출부 형상변화에 따른 Vortex 거동 해석	(재)포항산업과학연구원
148	VMD 모듈 3D모델링	알이디
149	칠서정수장 기술진단 3차원 수치해석	(주)그린텍환경컨설팅
150	충주댐 유출부 감세지 3차원 수치해석	대림산업
151	친환경차용 e-4WD 유도모터 로터 주조기술개발	현대자동차
152	울산 #4복합 해양소수력 개발 타당성 용역중 3차원 수치해석	유신
153	사이펀 활용 중력구동 분리막 시스템 수치해석	한국건설기술연구원
154	삼척화력 소수력발전설비 설치공사(EPC) 기본 및 실시설계 중 CFD해석	유신
155	LG전자(평택) 생산기술원-레이저 용접 결함 예측 모델 개발	LG전자(평택)
156	LG전자 창원 H&A사업본부-FLOW-3D 기반 통세척 성능 해석기술 개발	LG전자(창원)

수리/수자원 분야

01 교량 설치에 따른 하천흐름 및 세굴영향 검토
컨설팅내용	교량 설치로 인한 3차원 모형의 수리영향 검토 세굴방지공 설치로 교량의 수리적 안정성 확보
필요데이터	교각 3차원 형상 또는 도면 하천 수심측량 자료 및 수치지형도 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법	하천의 유동해석 수행 후 최고유속에 해당하는 교각 선정 선정교각 대상을 중심으로 세굴 모형 적용
결과물	하천 유동흐름, 수위분석 평형세굴심 도달시간 최대세굴심 및 최대퇴적고 등

02 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성 검토
컨설팅내용	상류 댐 붕괴 시 급격한 방류로 인하여 하류 댐에 미치는 영향을 검토하기 위해 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성검토
필요데이터	공도교 및 수문 구조물 상세 도면 하천 수심측량자료 및 주변 수치지형도 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법	상류 댐 붕괴시 홍수위/홍수량 정보입력 구조물/수문 분리 후 취약한 수문 선정 수문 구조해석 및 Total 힘 분석
결과물	수문/구조물 받는 힘 분석 굥도교 월류 여부 및 수위/유속 분포 방류량 및 구조물 부압 등

수처리 분야

01 정수처리시설 구조물 최적설계
컨설팅내용	정수시설 구조물에 대한 유동, 유량, 압력, 온도분포 분석 수처리과정에 발생하는 현상분석
필요데이터	정수시설 구조물의 제원 분배수로, 침전지 등 도면 및 3D CAD 자료 초기 수위데이터 등
해석방법	정수시설 구조물의 경계조건 설정 형상에 따른 유동흐름 및 유량 등 초기조건
결과물	정수시설물에 작용하는 압력분포 확인 유동 유입에 따른 유동양상, 유량, 유속데이터 분석 온도변화에 따른 유동 및 침전효율 분석

02 하수처리시설 방류량 및 유동양상 분석
컨설팅내용	토출수조의 수위 및 유동현상검토 각 방류 Box의 방류유량분포 및 유속분석
필요데이터	구조물관련 설계도면 자료 전체 모형 작성 및 지형데이터 유체 유입량, 초기 수위관련 자료
해석방법	시설 구조물에 따른 경계조건 설정 초기 수위조건 및 유동현상 등 조건 확인
결과물	토출 수조의 수위량 및 유동흐름 유동 유입에 따른 유량, 유속데이터 분석 구조물 단면의 유량흐름 데이터

주조 분야

01 수축 결함최소화를 위한 주조해석
컨설팅내용	주조 시 산화물 혼입방지 설계 조립부 수축결함 최소화
필요데이터	Frame형상 제원 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 용탕 주입시간, 충진속도, 온도 등의 데이터
해석방법	금형형상에 따른 주조해석 경계조건 설정 초기 조건설정에 따른 파라미터분석
결과물	충진시 산화물발생 위치 및 수축공 발생 위치 Solidification 확인, 결함부 현상분석 Gate, Runner 위치 최적화

02 금형 최적설계를 위한 주조해석
컨설팅내용	충진 온도유지 및 제품 결함 최소화를 위한 최적설계
필요데이터	금형관련 제원 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 주조 공정조건 데이터
해석방법	금형형상에 맞는 Runner, Gate 모델링 용탕온도, 속도, 압력 등 조건에 따른 제품 최적설계
결과물	충진시 압력분포 및 산화물 발생 위치분석 Solid Fraction, Solidification 등 현상분석 결함부위 최소화를 위한 Gate, Runner 위치 최적화

코팅 분야

01 Nozzle 분사를 이용한 Slit Coating 해석
컨설팅내용	표면 Coating에 적합한 Nozzle 형상 설계 Coating 구동조건 및 압력분포 분석
필요데이터	초기 Nozzle 형상 제원 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 Coating 도포현상 및 구동조건 데이터
해석방법	Nozzle 구동에 따른 Coating 분석 액상조건에 따른 Coating 도포형상 분석
결과물	Nozzle 형상 파라미터에 따른 Coating 현상분석 Coating 분포에 따른 높이 균일성 확인 액상 온도에 따른 도포량분석

MEMS 분야

01 연료전지 시스템의 최적설계를 위한 유동해석
컨설팅내용	연료전지 내부형상에 따른 유동장변화 데이터 유량분배에 적절한 최적의 형상조건 설계
필요데이터	초기 형상 도면자료 및 3D CAD자료 연료전지의 구동조건 및 물성조건 Actuator의 작동, 토출량, 유동 등의 데이터
해석방법	Micro-Channel에서의 유동분배 설정 액체의 특성에 따른 토출조건 확인
결과물	Actuator의 속도에 따른 유동량 분석 Micro-Channel에서의 유동양상 공동현상 최소화를 위한 최적의 구동조건

Solution-Coating Technology for AMOLED Displays

15 7월 2016 관리자 Edit

FLOW-3D를 이용한 AMOLED 디스플레이용 – 코팅 기술 해석사례로 픽셀 층의 균일성 개선, 증발, 초과 용액 등에 대한 분석 수행.

01-11 Reid Chesterfield, Andrew Johnson, Charlie Lang, Matthew Stainer, and Jonathan Ziebarth, Solution-Coating Technology for AMOLED Displays, Information Display Magazine, 1/11 0362-0972/01/2011-024$1.00 + .00 © SID 2011.

[ 다운로드 ] DEC-frontline_technology_AMOLED.pdf

Simulating the Residue left by Evaporating Drops

Background
The “coffee ring” effect is the name given to a well known observation where the evaporative drying of a drop of coffee leaves behind a ring of dark material at the edge of the original drop. On first thought one would expect that the coffee particles, which are uniformly distributed in the drop, would simply be deposited uniformly over the area wetted by the drop. It has only been in recent years that researchers have uncovered the mechanisms that produce the ring effect (Deegan, R.D., et al).
As currently understood, the edges of drops can become pinned because of roughness or chemical elements on the surface on which they lie. Heat transfer to the drops from the substrate or the air induces evaporation, which is usually greater near the drop edge. Surface tension forces then adjust the curvature of the remaining liquid consistent with the pinned edge, which results in a net flow of liquid toward the edge. This flow replenishes the evaporative loss but also moves solute to the edge where it is concentrated by evaporation. Eventually, this mechanism builds up a ring deposit of solute at the original edge of the drop.
The residue from dried drops has implications for many useful applications, including general coating processes, formation of pixel arrays of organic materials for video displays and for a variety of micro-electro-mechanical (MEMS) devices.
Because many factors control the distribution of dried residue it is desirable to have some means to model the fluid dynamics of the process to aid engineers in making the best choices for each specific application. Such a capability has been incorporated into FLOW-3D1 making it possible to computationally investigate the influence of such parameters as the initial solute concentration, fluid viscosity, volatility of the solvent, evaporation rate, surface tension and initial shape of the drop.
This technical note presents a brief description of the residue formation model and illustrates it with several computations of an evaporating drop subject to different physical conditions.

Coating Bibliography

아래는 코팅 참고 문헌의 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D 결과를 포함하고 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 코팅 공정을 성공적으로 시뮬레이션 하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

Coating Bibliography

2023년 8월 7일 Update

Below is a collection of technical papers in our Coating Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate coating processes.

130-22 Md Didarul Islam, Himendra Perera, Benjamin Black, Matthew Phillips, Muh-Jang Chen, Greyson Hodges, Allyce Jackman, Yuxuan Liu, Chang-Jin Kim, Mohammed Zikry, Saad Khan, Yong Zhu, Mark Pankow, Jong Eun Ryu, Template-free scalable fabrication of linearly periodic microstructures by controlling ribbing defects phenomenon in forward roll coating for multifunctional applications, Advanced Materials Interfaces, 9.27; 2201237, 2022. doi.org/10.1002/admi.202201237

03-21 Delong Jia, Peng Yi, Yancong Liu, Jiawei Sun, Shengbo Yue, Qi Zhao, Effect of laser textured groove wall interface on molybdenum coating diffusion and metallurgical bonding, Surface and Coatings Technology, 405; 126561, 2021. doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126561

50-19 Peng Yi, Delong Jia, Xianghua Zhan, Pengun Xu, and Javad Mostaghimi, Coating solidification mechanism during plasma-sprayed filling the laser textured grooves, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 142, 2019. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118451

01-19 Jelena Dinic and Vivek Sharma, Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method, Physics of Fluids, Vol. 31, 2019. doi: 10.1063/1.5061715

85-18 Zia Jang, Oliver Litfin and Antonio Delgado, A semi-analytical approach for prediction of volume flow rate in nip-fed reverse roll coating process, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 18, no. 1, Special Issue: 89^th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, 2018. doi: 10.1002/pamm.201800317

80-14 Hiroaki Koyama, Kazuhiro Fukada, Yoshitaka Murakami, Satoshi Inoue, and Tatsuya Shimoda, Investigation of Roll-to-Sheet Imprinting for the Fabrication of Thin-film Transistor Electrodes, IEICE TRAN, ELECTRON, VOL.E97-C, NO.11, November 2014

46-14 Isabell Vogeler, Andreas Olbers, Bettina Willinger and Antonio Delgado, Numerical investigation of the onset of air entrainment in forward roll coating, 17th International Coating Science and Technology Symposium September 7-10, 2014 San Diego, CA, USA

17-12 Chi-Feng Lin, Bo-Kai Wang, Carlos Tiu and Ta-Jo Liu, On the Pinning of Downstream Meniscus for Slot Die Coating, Advances in Polymer Technology, Vol. 00, No. 0, 1-9 (2012) © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Available online at Wiley.

61-09 Yi-Rong Chang, Chi-Feng Lin and Ta-Jo Liu, Start-up of slot die coating, Polymer Engineering and Science, Vol. 49, pp. 1158-1167, 2009. doi:10.1002/pen.21360

26-06 James M. Brethour, 3-D transient simulation of viscoelastic coating flows, 13th International Coating Science and Technology Symposium, September 2006, Denver, Colorado

19-06 Ivosevic, M., Cairncross, R. A., and Knight, R., 3D Predictions of Thermally Sprayed Polymer Splats Modeling Particle Acceleration, Heating and Deformation on Impact with a Flat Substrate, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 49, pp. 3285 – 3297, 2006

9-06 M. Ivosevic, R. A. Cairncross, R. Knight, T. E. Twardowski, V. Gupta, Drexel University, Philadelphia, PA; J. A. Baldoni, Duke University, Durham, NC, Effect of Substrate Roughness on Splatting Behavior of HVOF Sprayed Polymer Particles Modeling and Experiments, International Thermal Spray Conference, Seattle, WA, May 2006.

26-05 Ivosevic, M., Cairncross, R. A., Knight, R., Impact Modeling of Thermally Sprayed Polymer Particles, Proc. International Thermal Spray Conference [ITSC-2005], Eds., DVS/IIW/ASM-TSS, Basel, Switzerland, May 2005.

11-05 Brethour, J., Simulation of Viscoelastic Coating Flows with a Volume-of-fluid Technique, in Proceedings of the 6th European Coating Symposium, Bradford, UK, 2005

1-05 C.W. Hirt, Electro-Hydrodynamics of Semi-Conductive Fluids: With Application to Electro-Spraying, Flow Science Technical Note #70, FSI-05-TN70

38-04 K.H. Ho and Y.Y. Zhao, Modelling thermal development of liquid metal flow on rotating disc in centrifugal atomisation, Materials Science and Engineering, A365, pp. 336-340, 2004. doi:10.1016/j.msea.2003.09.044

30-04 M. Ivosevic, R.A. Cairncross, and R. Knight, Impact Modeling of HVOF Sprayed Polymer Particles, Presented at the 12th International Coating Science and Technology Symposium, Rochester, New York, September 23-25, 2004

29-04 J.M. Brethour and C.W. Hirt, Stains Arising from Dried Liquid Drops, Presented at the 12th International Coating Science and Technology Symposium, Rochester, New York, September 23-25, 2004

20-03 James Brethour, Filling and Emptying of Gravure Cells–A CFD Analysis, Convertech Pacific October 2002, Vol. 10, No 4, p 34-37

4-03 M. Toivakka, Numerical Investigation of Droplet Impact Spreading in Spray Coating of Paper, In Proceedings of 2003 TAPPI 8th Advanced Coating Fundamentals Symposium, TAPPI Press, Atlanta, 2003

28-02 J.M. Brethour and H. Benkreira, Filling and Emptying of Gravure Cells—Experiment and CFD Comparison, 11th International Coating Science and Technology Symposium, September 23-25, 2002, Minneapolis, Minnesota

22-02 Hirt, C.W., and Brethour, J.M., Contact Line on Rough Surfaces with Application to Air Entrainment, Presented at the 11th International Coating Science and Technology Symposium, September 23-25, 2002, Minneapolis, Minnesota. Unpublished.

17-01 J. M. Brethour, C. W. Hirt, Moving Contact Lines on Rough Surfaces, 4th European Coating Symposium, 2001, Belgium

16-01 J. M. Brethour, Filling and Emptying of Gravure Cells–-A CFD Analysis, proceedings of the 4th European Coating Symposium 2001, October 1-4, 2001, Brussels, Belgium

26-00 Ronald H. Miller and Gary S. Strumolo, A Self-Consistent Transient Paint Simulation, Proceedings of IMEC2000: 2000 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 2000, Orlando, Florida

6-99 C. W. Hirt, Direct Computation of Dynamic Contact Angles and Contact Lines, ECC99 Coating Conference, Erlangen, Germany (FSI-99-00-2), Sept. 1999

7-98 J. E. Richardson and Y. Becker, Three-Dimensional Simulation of Slot Coating Edge Effects, Flow Science Inc, and Polaroid Corporation, presented at the 9th International Coating Science and Technology Symposium, Newark, DE, May 18-20, 1998

6-98 C. W. Hirt and E. Choinski, Simulation of the Wet-Start Process in Slot Coating, Flow Science Inc, and Polaroid Corporation, presented at the 9th International Coating Science and Technology Symposium, Newark, DE, May 18-20, 1998

3-97 C. W. Hirt and J. E. Richardson of Flow Science Inc, and K.S. Chen, Sandia National Laboratory, Simulation of Transient and Three-Dimensional Coating Flows Using a Volume-of-Fluid Technique, presented at the 50th Annual Conference of the Society for Imaging and Science Technology, Boston, MA 18-23 May 1997

2-96 C. W. Hirt, K. S. Chen, Simulation of Slide-Coating Flows Using a Fixed Grid and a Volume-of-Fluid Front-Tracking Technique, presented a the 8th International Coating Process Science & Technology Symposium, February 25-29, 1996, New Orleans, LA

Fingering in Liquid Films

이 접근 방식의 힘의 적용은 경사면 아래로 흐르는 액체 필름에서 관찰되는 핑거링에 의해 주어집니다.

실험적 관찰에 따르면 두 가지 뚜렷한 핑거링 패턴이 발생합니다. 작은 정적 접촉각 (즉, 고도의 습윤 조건)에 해당하는 한 패턴은 상단 및 하단 한계가 모두 아래로 이동하는 쐐기 모양의 핑거를 나타냅니다.

두 번째 패턴은 큰 정적 접촉각 (즉, 열악한 습윤 조건)에 해당하며, 최대 한계가 아래로 이동하지 않는 거의 균일 한 너비의 긴 핑거가 특징입니다.

Coating Validation

좌측 도면에서, 두 FLOW-3D 시뮬레이션의 결과는 실험과 잘 비교됩니다. (Silvi, N. and Dussan V, E.B., “On the rewetting of an inclined solid surface by a liquid,” Phys. Fluids, 28, p.5, 1985).액막 필름의 두께로 인한 depth-averaged flow 가정이 사용되었고, 시뮬레이션 유일한 차이점은 정적 접촉각의 값입니다. 계산된 결과는 실험에서 관찰된 흐름을 잘 따라가고 있음을 볼 수 있습니다.

Contact Line Insights

FLOW-3D의 수치 모델링 기능은 코팅 성능 향상에 관심이 있는 엔지니어에게 이상적입니다. 계산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 다양한 물리적 공정의 상대적 중요성과 효과를 연구하는 훌륭한 방법입니다. 물리적 테스트에서 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 규모를 임의로 조정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이 섹션에서는 리 블릿 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면 위의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 FLOW-3D의 정적 및 동적 접촉각 처리에 대해 설명합니다.

Static and Dynamic Contact Angles

FLOW-3D는 입력으로 설정된 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각과 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사면 아래로 이동함에 따라 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.

L.M. Hocking 박사는 그의 저서 [“A moving fluid interface on a rough surface,” J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)]에서 표면에 미세한 요철이 흐름 구조를 유도하기 때문에 Contact line이 고체 표면을 통해 이동할 수 있으며 이는 거시적 관점에서 “velocity slip”로 해석 될 수 있다고 했습니다.

이 가설에 대한 전산 해석은 FLOW-3D를 이용하여 쉽게 수행됩니다. 선택된 테스트는 가로, 규칙적으로 이격 된 직사각형 슬롯 패턴 이차원 고체 표면 구성됩니다. 슬롯은 2mm 깊이 10mm 폭, 그리고 그들 사이 폭 10mm 고체 조각을 갖고 이격 됩니다. 이 크기는 전형적으로 상대적으로 부드러운 표면에 긁힌 모양입니다. 액체와 고체 사이의 정적인 접촉각이 60 °가 되도록 선택 하였습니다. 작동 유체는 물로 선정되었고 시험은 채널을 통해 속도30cm / s의 평균 물높이 15mm의 채널의 바닥에 있는 거친 표면을 두고 구동 이루어져 있습니다. 채널의 상단은 free-slip boundary로 정해집니다.

Hocking의 주장대로 micro-scale 교란이 Large scale 관점에서 보았을 때 계산된 속도장으로 보면 velocity slip의 한 종류로서 해석 될 수 있습니다. 아래는 계산된 수평 속도 분포를 나타내고 있습니다. 이것은 표면 바로 위에 제어 볼륨 층의 계산 된 수평 속도 분포를 제공하는 X-Y 플롯에 그래픽으로 보여 주고 있습니다. 격자 미세화에 의해 표면의 고체 부분의 윗쪽 속도가 영이 되는 경향이 있지만, 슬롯들 위에 있는 속도는 영이 안되게 유지됩니다. 많은 요철 위의 이러한 속도의 평균은 효과적인 슬립으로 해석 될 수 있는 non-zero 수평 이송 속도를 일으킵니다.

Evaporative Effects

분산된 고체 물질을 포함하는 액체 방울이 고체 표면에서 건조되면 고체 물질이 침전물로 남습니다. 이 퇴적물의 패턴은 많은 인쇄, 청소 및 코팅 공정에 중요한 의미를 갖습니다. 한 가지 유형의 침전물의 전형적인 예는 왼쪽 이미지와 같이 유출 된 커피 조각의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링”문제입니다. 이러한 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로 발생하며, 특히 방울 주변에서 발생합니다 [1].

Drying

건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 잘 도포된 코팅은 건조 결함으로 인해 완전히 손상될 수 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 흐름을 유도 할 수 있으며, 이로 인해 잠재적으로 코팅 품질이 손상 될 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류물 모델을 통해 사용자는 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.

Modeling Ring Formation

FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉 라인에서의 증착으로 인해 에지 고정이 발생 함을 보여줍니다.

링 형성 모델링
증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션
증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 증발은 접촉 라인 근처에서 가장 크므로 액체가 접촉 라인을 향해 흐르게하여 정적 상태를 다시 설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 부유 고체가 증착됩니다.

FLOW-3D의 접촉 선 고정 모델에 대해 자세히 알아보십시오.

*Simulation of flow generated at a contact line by evaporation*

Slot Coating

Slot Die Coating

FLOW-3D는 슬롯 다이 코팅의 산업 연구 및 설계에 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅에서 유체는 슬롯에서 슬롯에 매우 가까운 곳에 위치한 빠르게 움직이는 기판 위로 강제 배출됩니다. 때로는 여러 슬롯을 사용하여 여러 재료의 레이어드 코팅을 만들기도 합니다. 많은 산업에서 슬롯 다이 코팅 기계는 상대적으로 단순하기 때문에 슬롯 다이코팅이 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅의 또 다른 이점은 나노미터 단위로 측정한 코팅 두께에서도 높은 코팅 균일성 비율입니다.

아래 예에서, 한 슬롯은 120미크론 두께의 뉴턴이 아닌 재료를 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 기질에 적용하고 있습니다.

FLOW-3D에서 유체-솔리드 접촉 선과 접촉각은 흐름의 전체 역학의 일부로 자동으로 계산됩니다. 이것은 슬롯과 웹(Web) 사이의 영역에서 세 개의 개별 접촉 선이 발생하는이 예에서 잘 설명됩니다.

Case Study

Roche Diagnostics GmbH가 2014년 FLOW-3D 유럽 사용자 컨퍼런스에서 발표한 산업 사례 연구의 이 이미지는 진공 보조 장치가 없는 슬롯 다이 코팅의 3D 모델을 보여줍니다. 왼쪽 상단에 그려진 실험과 FLOW-3D로 수행된 시뮬레이션 사이에는 훌륭하게 일치하고 있습니다.

*Simulation of a slot die coating without vacuum assist, courtesy Roche Diagnostics GmbH*

Slot Die Design

아래에 표시된 3M의 FLOW-3D 시뮬레이션은 슬롯 다이의 내부 캐비티 내부의 유체 체류 시간을 보여줍니다. 슬롯 다이 설계는 코팅 프로세스의 성공에 매우 중요하며 코팅 액의 유변학(rheology)에 따라 다릅니다.

Simulation courtesy of 3M

Two-Layer Slot Coating

왼쪽의 시계열 이미지에서 보면 웹(web)이 이동되고, 슬롯 코팅 다이는 두 개의 슬롯에서 서로 다른 물성의 두 유체가 나오고 있습니다. two-layer slot die를 사용하는 이점은 코팅기의 die station의 수를 감소시킬 수 있는 것입니다. 그러나, 단일 층의 경우에는 존재하지 않는 이층 슬롯 코팅에 존재하는 많은 문제점들이 나타납니다. 두 개의 유체 층 사이의 계면(interface), 보통은 혼합될 수 있는 물성을 가진 Interlayer 는 die surfae에 안정적으로 잘 고정되어야 합니다. 그리고 Interlayer 부근이 순환은 두 유체의 혼합을 막기 위해 최소화 되어야만 합니다. 일반적으로 이것들은 각각의 유체의 밀도, 점도 및 유량이 배출율을 조작함으로써 제어될 수 있습니다.

Start-Up of Slot Coating

슬롯 코터를 이용하여 연속 코팅 공정을 시작하면 시작부터 폐기해야 불완전한 재료의 양을 감소시키기 위해, 가능한 한 빨리 균일한 wettig을 수립하는 것이 바람직합니다. Wet start 기술은 잉크가 웹에 가까워지기 전에 슬롯에서 잘 빠져 나오는 것 보장하는 중요한 기술중의 하나입니다. 이 예에서, web은 액체의 상류 및 하류 모두 압착 슬롯을 향해 이동된다.

슬롯 장치의 경사진 앞쪽면에 유체를 위로 밀어올리는 약간 늦은 적당한 접근 속도는 슬롯장치의 더 나은 성능을 제공합니다.

Slide Coating

모든 코팅 공정은 코팅 물질이 정상 상태에 도달하기 전에 큰 변형을 겪게 되는 초기 전개 시기(startup period)를 가집니다. 초기 전개 시기의 좋은 특성들은 유체의 낭비를 감소시키고 공정을 기술자가 원하는 범위 내에서 작동시키게 합니다.

다층 커튼 코팅 공정의 경우, 아래 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 유체가 슬롯 다이에서 배출된 다음 물질이 중력에 노출 될 수 있습니다.

유체층은 일반적으로 서로 다른 특성을 갖지만 자주 혼합되기 때문에 층 사이의 계면 장력이 작습니다. 특히 중요한 것은 다이면에서 정적 접촉 라인의 위치와 안정성, 그리고 유체가 이동 표면과 처음 만나는 동적 접촉 라인입니다. 이 위치는 유체 흐름 속도, 움직이는 기판의 속도 및 동적 접촉 상류의 공기 공간의 진공 양에 의해 영향을받습니다. 또한 중요한 것은 각 유체 사이에 날카로운 중간층을 유지하는 것입니다. FLOW-3D는 완전히 일시적인 3 차원 흐름 모델이므로 시작하는 동안 프로세스의 일시적인 동작을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

*Startup of a multi-layer slide coating*

모든 코팅 공정에는 일정한 조건을 달성하기 전에 코팅 재료가 큰 변형을 겪는 일종의 시작 기간이 포함됩니다. 시작 프로세스의 우수한 특성화는 낭비를 줄이고 프로세스가 원하는 한계 내에서 작동하는지 확인하는 데 중요합니다. 다양한 섭동에 대한 코팅 흐름의 일시적인 반응에 대한 유사한 이해가 또한 바람직하여 코팅 비드의 파손 및 코팅의 불균일성을 방지 할 수 있습니다.

Roll Coating

롤 코팅 공정은 직물, 접착제 및 실란트를 다루는 산업을 포함한 다양한 산업에서 일반적으로 많이 사용하는 공정입니다. FLOW-3D는 공정 엔지니어와 과학자에게 다양한 재료 특성과 코팅 방식을 평가하여 결함의 원인을 식별하고 롤 코팅 공정 매개 변수를 최적화 할 수있는 기능을 제공합니다.

1-D Gradient generator with de-coupled convection and diffusion

이러한 예에서 속도 유선은 롤 코팅 공정에서 흔히 볼 수있는 전방 (상단), 후방 (중간) 및 고갈 (하단) 작동 방식에 대해 플롯됩니다. FLOW-3D는 연구자들에게 롤 속도 및 재료 특성과 같은 요소와 동적 접촉 라인의 안정성에 미치는 영향뿐만 아니라 공기 혼입, 리브 및 비 균일 에지 프로파일과 같은 결함에 대한 기여도를 분석 할 수있는 기능을 제공합니다.

인쇄 공정 중 산업에서는 종종 인쇄면에 잉크를 전달하고 적용하는 롤 코팅(roll coating) 이라고 불리는 기술을 사용합니다. 이 공정에서 통상적으로 잉크 유액은 두 개의 회전하는 실린더 사이의 좁은 갭(gap)으로 흘러 들어갑니다.

FLOW-3D를 사용하는 이 1D microfluidic palette 시뮬레이션에서 주 중앙 마이크로 채널에서 대류 Cells의 clean decoupling을 플롯된 유선을 통해 확인할 수 있습니다. 이 흐름은 모두 대류 장치에만 제한되며 단일 장치조차도 마이크로 채널로 누출되지 않아 대류 및 확산의 탁월한 분리를 나타냅니다. 소스 농도의 변화는 플롯에서 볼 수 있으며 애니메이션이 끝날 때까지 시각적으로 일정해집니다.

Ribbing Instabilities

아래에 표시된 전 방향 롤 코팅 시뮬레이션에서 FLOW-3D는 Lee, et al [1]에 설명 된대로 증가 된 롤 속도와 관련된 리브 불안정성의 시작을 정확하게 포착합니다. 이 모델은 단일 유체 VOF, 표면 장력 및 점도를 구현하여 생산에서 볼 수있는 이러한 불안정성의 복잡한 특성을 포착합니다.

Cascade Defects

아래 시뮬레이션에서 FLOW-3D는 포워드 롤 코팅 공정에서 cascade defect을 포착합니다. 상단 웹 롤러의 증가된 롤 속도로 인해, 동적 접촉 라인이 불안정해져 공기가 코팅액에 유입 될 수 있습니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

Gravure Coating

그라비아 코팅(Gravure coating)은 그라비아 롤이라고하는 홈이 새겨진 실린더에서 움직이는 기판으로 유체를 전달합니다. 그라비아 롤은 표면에 새겨진 작은 홈 또는 cells로 패턴이 지정됩니다. 실린더는 유체의 소스 주위를 회전하고, 마지막으로 doctor blade에 의해 불필요하게 남겨진 잉크가 제거되게 됩니다. 각 cell의 컵 모양은 실린더가 닥터 블레이드를 지나갈 때 유체를 제자리에 고정합니다. cell의 패턴, 깊이 및 모양은 기판에 코팅의 무게와 모양을 결정합니다.

아래에 표시된 FLOW-3D 시뮬레이션은 증착에 대한 셀 깊이의 영향을 보여줍니다. 이 모델은 30 미크론과 53.3 미크론의 두 셀 깊이를 비교합니다. 30 마이크론 셀 깊이는 훨씬 더 균일한 증착을 가능하게 하여 결과적인 코팅으로 전달됩니다.

Gravure Printing Example

아래의 예는 하나의 사각형 셀과 하나의 피라미드 모양의 그라비아 셀의 3D 이미지를 시간 배열로 보여줍니다. 주의해서 보면 코팅 비드(coating bead)가 컨텍 라인이 셀 안으로 움직일 수 있는 것보다 빠르게 블레이드(brade)의 움직임으로 인해 진행되는 것을 볼 수 있습니다. 그 결과로 공기 기포가 포획되며 이는 셀 안이 부분적으로는 유체로 체워지고, 부분적으로는 공기로 채워지는 현상을 나타나게 됩니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

Dip Coating

딥 코팅은 코팅 재료가 들어있는 탱크에 기판을 담그고 탱크에서 조각을 제거하여 배수하는 것입니다. 이와 같은 일시적인 코팅 문제는 고정 메쉬 내에서 유체의 움직임이 결정되기 때문에 FLOW-3D를 사용하여 간단하고 효율적으로 해결할 수 있습니다 (메쉬를 따르는 유체의 움직임이 아님).

이 3D 시뮬레이션은 증발이 수반되는 딥 코팅 공정을 보여줍니다. 습식 필름은 용액에서 작은 개별 기판을 제거하여 증착됩니다. 모델은 추가적으로 용매의 증발을 설명합니다. 이는 필름 증착 중에 증발이 유체 역학과 겹치는 휘발성 용매의 경우와 관련이 있습니다. 잔류 물 모델은 코팅 된 건조 필름의 프로파일을 계산하는 고유 한 기능을 제공합니다. “가장자리 효과”의 정확한 평가를 통해 엔지니어는 최종 박막 형상 및 균질성에 대한 공정 매개 변수 또는 유체 특성의 영향을 분석 할 수 있습니다.

Dr. Julien Boeuf of Roche Diagnostics GmbH. 제공.

딥 코팅 공정에 대한 프레젠테이션은 Roche Diagnostics GmbH의 Julien Boeuf 박사의 2013 Conference Proceedings, “Model of dip coating with concomitant evaporation,“에서 확인할 수 있습니다.

Curtain Coating

커튼 코팅에서 액체는 슬롯이나 슬라이드 다이에서 흘러 나와 중력을 받아 수평으로 움직이는 기판에 떨어집니다. 커튼 코팅은 단일 층의 유체 또는 다중 유체 층을 포함 할 수 있으며 사진 필름, 특수 용지 및 포장의 생산에 사용됩니다.

슬롯에서 나오는 유속과 관련된 액체의 물리적 특성과 기질 속도에 따라 액체가 먼저 기질에 접촉하는 접촉선의 안정성은 물론 코팅 두께를 결정합니다.
접촉 라인이 불안정하면 코팅 아래에 웅덩이나 공기 유입이 발생하여 균일하지 않은 코팅 두께 및 기타 결함을 발생시킬 수 있습니다.
FLOW-3D는 유량, 유량, 기질 속도 등 다양한 공정 파라미터로 공정을 시뮬레이션하고 점성, 표면 장력, 접착력 등 액체의 물리적 성질을 변화시켜 커튼 코팅의 안정성을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

코팅분야

Coating

FLOW-3D는 산업계 및 학계의 코팅 연구원들이 기계 설계 연구, Display 공정개발 및 최적화를 위해 사용했습니다. 미크론 규모의 코팅 물리학을 이해하는 것은 코팅 유체 유변학의 복잡한 특성과 기판 및 Die와의 상호 작용으로 인해 어려울 수 있습니다.

FLOW-3D 는 비용이 많이 드는 실제 실험에 의존하지 않고, 코팅 프로세스를 분석할 수 있는 편리한 방법을 제공합니다. FLOW-3D는 표면 장력, Wall 접착, 용액 운반, 밀도 기반 흐름 및 상 변화의 영향을 이해하기위한 고밀도 모델링을 제공합니다.

Forward roll coating 공정에 대한 FLOW-3D의 시뮬레이션은 high capillary number수로 인한ribbing 결함을 포착합니다. 이 모델은 backing rollers가 400 micron nip을 통해 유체를 끌어 당길 때 표면 장력과 점도의 효과를 통합합니다. 시뮬레이션은 Lee, et al [1]의 연구를 기반으로합니다.

ribbing 시작에 대한 정확한 예측을 통해 엔지니어는 결함을 방지하기 위한 공정 매개 변수를 식별하고 수정할 수 있습니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

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하류 유압 구조물의 유동 특성 분석을 위한 FLOW-3D 모델 개발

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References

Abstract

Keywords

1. Introduction

2. Experiment

2.1. Melting and casting

2.2. Oxidation cell

3. Results

3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/air

3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/CO2

3.3. Evolution of the oxide films in the oxidation cell

4. Discussion

4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF6/air

4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF6/CO2

4.3. Effect of the carrier gases on consumption of the entrained gas and the reproducibility of AZ91 castings

7. Conclusion

Acknowledgements

Reference

ABSTRACT

References

Abstract

Keywords

References

ABSTRACT

References

Abstract

Korea Abstract

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Abstract

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레이저 조사 및 silanization 공정으로 제작된 micro-pillar arrays를 사용하여 초 소수성 표면에 대한 액적 영향 시뮬레이션

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Korea Abstract

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시간 분해 PIV 분석을위한 새로운 동적 마스킹 기술

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그래픽 개요

소개

행동 양식

형광 코팅

마스킹 소프트웨어

DM 검증

실험 설정

PIV 체인 분석 평가

결과

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3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF₆/air

3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF₆/CO₂

4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF₆/air

4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF₆/CO₂

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