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BSc in MaschinentechnikBIBEBUVASimulation eines Druckkopfes für leitfähige MedienDrucktechnologie / Betreuer: Manfred Schär, Philip MarmetExperte: Peter Paul KnobelAm Institut für Drucktechnologie wird ein Druckkopf für elektrisch leitfähige Tinten entwickelt. Dieser basiertauf dem Lorentzkraft-Prinzip. Dabei wird die Wechselwirkung eines elektrischen Stromes mit einem Magnetfeldausgenutzt. Die Einsatzgebiete eines solchen Druckkopfs wären vielfältig. Da dieses Prinzip sehrhohe Betriebstemperaturen zulässt, wäre zum Beispiel das Drucken geschmolzener Metalle möglich. Indieser Arbeit ging es darum, die physikalischen Zusammenhänge mittels Simulationen zu untersuchen underste Tests mit einem Funktionsmuster durchzuführen.AusgangslageUnter dem Stichwort «FunctionalPrinting» wird ein zukunftsgerichtetesAnwendungsgebiet der Drucktechnologiezusammengefasst.Heutzutage können damit ganzeelektrische Schaltungen oder 3-dimensionaleObjekte hergestellt werden.Zum Drucken von solchenfunktionalen Strukturen sind oftmalselektrisch leitende Tinten notwendig.Herkömmliche Piezodruckköpfesind dafür nur bedingteinsetzbar. Deshalb entwickelt dasInstitut für Drucktechnologie einenspeziell dafür geeigneten Druckkopf.FunktionsprinzipBei diesem Druckkopf wird die elektrischeLeitfähigkeit der Tinte ausgenutzt,indem ein Strom durch siegeleitet wird. Durch Wechselwirkungenmit einem senkrecht dazuangeordneten Magnetfeld entstehtdie so genannte Lorentzkraft. Sie istdie Grundlage aller Elektromotorenund Generatoren. Im Druckkopf bewirktsie, dass die Tinte ausgestossenwird.VorgehenDas Ziel dieser Arbeit bestand einerseitsim Nachweis der Machbarkeiteines Druckkopfs nach demLorentzkraft-Prinzip und andererseitsim Untersuchen der physikalischenZusammenhänge mittels Simulationenund Vergleichs rechnungen.Als erster Schritt wurdedazu ein Funktionsmuster konstruiert,mit welchem im Verlauf der ArbeitTests und Messungen durchgeführtwerden konnten. Mithilfeder Simulationssoftware ComsolMultiphysics wurden Simulationsmodelleaufgebaut, welche die Effekteaus der Magnetik, Elektronikund Fluidik abbilden. Parallel dazuwurden Vergleichsrechnungen zurVerifikation durchgeführt.ResultateMithilfe gekoppelter Simulationsmodellewurden die physikalischenZusammenhänge simuliert unduntersucht. Die Modelle konnte mittelsVergleichsrechnungen verifiziertwer den. Durch Messungen amFunktionsmuster konnten die Parametermagnetische Flussdichte,Strom, Druck und Volumenstrombestimmt und der Nachweis derFunktionsfähigkeit erbracht werden.Als kostengünstiges Testmediumkam dabei 50%ige Phosphorsäurezum Einsatz. Diese besitzteine gute elektrische Leitfähigkeit.Bei 5-ms-Spannungspulsen von 35V lag der maximal erzeugte Druckan der Düse bei 0.14 bar. Die dosiertenTropfen wiesen ein mittleresVolumen von 0.63 μl auf. Die Abmessungendes Düsenkanals betrugendabei 0.6 mm x 0.6 mm x 10mm. Bei den Messungen wurden anden Elektroden und im Mediumelektrochemische Prozesse wiePolari sation und Gasbildung durchElektro lyse beobachtet, die in denSimulationen noch nicht berücksichtigtwurden. Trotzdem war esmöglich mit den Messungen dieSimulationsmodelle zu validieren.Micha Güdelmicha.guedel@bluewin.chSimulation der TropfenablösungFunktionsmuster des Druckkopfesti.bfh.ch203