VPE Swiss Workshop, 23. Januar 2014 Kopplung von Struktur und Simulation Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Philip Marmet, Institut iprint 1
Inhalt Einleitung: Simulationen im Printing Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Modellierung eines Piezoelektrischen Inkjet Druckkopfes 2
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
Simulationen im Printing graphical printing Verpackungsdruck material printing printing in life sience 4
Simulationen im Printing graphical printing 2D - und 3D Druck material printing printing in life sience 5
Simulationen im Printing graphical printing Präzisionsdosierung material printing printing in life sience 6
Simulationen im Printing Netzwerksimulation der Tintenversorgung Druckkopfsimulation 7
Simulationen im Printing Simulation des Achsensystems FEM => State Space Simulation der Regelung inklusive Vibrationen MOR 8
Simulationen im Printing Simulation des Druckbildes 9
Simulationen im Printing 10
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Spezielle Inkjet Anwendungen: Braille Dosierung in der Biotechnologie 11
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 12
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 13
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Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 15
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Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Mechanical Subsystem Dynamic of the Plunger Motion 17
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 18
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 19
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 20
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Magnetic Flux Density [T] Induced Current Density [A/m 2 ] Electromagnetic Subsystem Magnetic Force and Induction Currents 21
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 1.4 B / T 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Nonlinear Magnetic Material B=f(H) 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 H / A/m Electromagnetic Subsystem Magnetic Force and Induction Currents Induction Currents 22
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils 23
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
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Fluid in der Düse Plunger Fluidic Subsystem Fluid Flow and Droplet Break up 25
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
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Studie Verbesserung Tropfenablösung => Leicht vereinfachtes Gesamtmodell 27
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Dosierung von hochviskosen Fluiden => Zweiphasenströmung + ODE s 28
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Simulation von Single Use Komponenten in der Biotechnologie => Elektromagnetik und Fluidik (1Phasenströmung) 29
Gekoppelte Simulation eines Mikroventils Weiterverwendung Simulation von Fett-Dosierung in Produktionsprozessen => Netzwerksimulationen, CFD Rechnungen zur Parameterbestimmung 30
Inkjet Druckkopf mit Piezo-Aktor z x 31
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Piezoeffekt 32
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Statische Auslenkung 0.05 µm U ext = -32 V 0 µm U ext = +32 V 33
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
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Transiente Simulation - Aufbau 37
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Transiente Simulation - Resultate Druckwelle p = 1 bar p = 0 bar 38
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 39
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 40
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 41
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation im Frequenzbereich 42
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation Frequenzbereich 43
Inkjet Druckkopf mit Piezo Aktor Simulation Frequenzbereich Aktor 44 44
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
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
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 2011 49
Don t talk about it, just do it! Thank you Philip Marmet philip.marmet@hefr.ch +41 26 429 68 64 50