Gekoppelte Simulation eines Mikroventils

Transkript

1 VPE Swiss Workshop, 23. Januar 2014 Kopplung von Struktur und Simulation Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Philip Marmet, Institut iprint 1

2 Inhalt Einleitung: Simulationen im Printing Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Modellierung eines Piezoelektrischen Inkjet Druckkopfes 2

3 Simulationen im Printing graphical printing iprint Institute for printing Leitung: Prof. Fritz Bircher material printing printing in life sience Schwerpunkte: Digitale Druckverfahren Insbesondere Inkjet 3

4 Simulationen im Printing graphical printing Verpackungsdruck material printing printing in life sience 4

5 Simulationen im Printing graphical printing 2D - und 3D Druck material printing printing in life sience 5

6 Simulationen im Printing graphical printing Präzisionsdosierung material printing printing in life sience 6

7 Simulationen im Printing Netzwerksimulation der Tintenversorgung Druckkopfsimulation 7

8 Simulationen im Printing Simulation des Achsensystems FEM => State Space Simulation der Regelung inklusive Vibrationen MOR 8

9 Simulationen im Printing Simulation des Druckbildes 9

10 Simulationen im Printing 10

11 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Spezielle Inkjet Anwendungen: Braille Dosierung in der Biotechnologie 11

12 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 12

13 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 13

14 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 14

15 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 15

16 16

17 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Mechanical Subsystem Dynamic of the Plunger Motion 17

18 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 18

19 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 19

20 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 20

21 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Magnetic Flux Density [T] Induced Current Density [A/m 2 ] Electromagnetic Subsystem Magnetic Force and Induction Currents 21

22 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 1.4 B / T Nonlinear Magnetic Material B=f(H) H / A/m Electromagnetic Subsystem Magnetic Force and Induction Currents Induction Currents 22

23 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 23

24 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Plunger 0.8 m/s Velocity Plunger movement - Velocity: Moving Wall - Displacement: Moving Mesh (ALE) 0 m/s Two-Phase Flow Surface Tension Force Droplet Break up Fluidic Subsystem Fluid Flow and Droplet Break up 24

25 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Fluid in der Düse Plunger Fluidic Subsystem Fluid Flow and Droplet Break up 25

26 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Tropfenablösung Introduction Plunger Wofür braucht man das, Beispiele nennen Fluidic Subsystem Fluid Flow and Droplet Break up Simulated droplet break up High-speed camera recording 26

27 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Studie Verbesserung Tropfenablösung => Leicht vereinfachtes Gesamtmodell 27

28 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Dosierung von hochviskosen Fluiden => Zweiphasenströmung + ODE s 28

29 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Simulation von Single Use Komponenten in der Biotechnologie => Elektromagnetik und Fluidik (1Phasenströmung) 29

30 Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Simulation von Fett-Dosierung in Produktionsprozessen => Netzwerksimulationen, CFD Rechnungen zur Parameterbestimmung 30

31 Inkjet Druckkopf mit Piezo-Aktor z x 31

32 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Piezoeffekt 32

33 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Statische Auslenkung 0.05 µm U ext = -32 V 0 µm U ext = +32 V 33

34 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Modellansätze für Piezoaktoren Netzwerkmodell konzentrierte Parameter Punktmasse FE-Modell Transient Frequenzbereich verteilte Parameter einzelne Zeitschritte + Einfacher Aufbau + kürzere Rechenzeit 34

35 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Transiente Simulation - Aufbau 37

36 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Transiente Simulation - Resultate Druckwelle p = 1 bar p = 0 bar 38

37 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 39

38 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 40

39 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 41

40 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 42

41 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation Frequenzbereich 43

42 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation Frequenzbereich Aktor 44 44

43 Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Modellansätze für Piezoaktoren FE-Modell Netzwerkmodell Transient Frequenzbereich + Rechenzeit tief + Genauigkeit + Rechenzeit mittel + Nichtlinearitäten + Einfacher Aufbau + Flexibel - Genauigkeit - Rechenzeit hoch - Komplexer Aufbau Einsatz: Abschätzungsrechnungen Regelungssimulationen Einsatz: Hohe Interaktion mit Umgebung Genaue Referenzrechnungen Parametervariationen 47

44 Fazit Simulationen helfen, technische Systeme besser zu verstehen Unterschiedliche Problemstellungen verlangen unterschiedliche Modelle Virtuelle Maschine: Gesamtsimulationen sind oft nicht notwendig, sind als «Werkzeugkasten» aber hilfreich 48

45 Referenzen Vielen Dank! P. Marmet, F. Bircher, Multiphysics Modelling of a Micro Valve, European Comsol Conference 2009 F. Fässler, Flexible Mehrkörper-simulation zur Optimierung moderner Fertigungssysteme, CADFEM Users Meeting 2010 P. Marmet, F. Bircher, J. Renner, P. Haslebacher, G. Schlegel, F. Fässler, Simulation Aided Design of Inkjet Systems, iarigai

46 Don t talk about it, just do it! Thank you Philip Marmet [email protected]