Projekt

Zurück zur Übersicht

Generation of Repeatable Microdroplets via Rayleigh Instability of a Non-Ideal Jet

Titel Englisch Generation of Repeatable Microdroplets via Rayleigh Instability of a Non-Ideal Jet
Gesuchsteller/in Abhari Reza
Nummer 175927
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Institut für Energietechnik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Fluiddynamik
Beginn/Ende 01.10.2017 - 31.12.2018
Bewilligter Betrag 165'070.00
Alle Daten anzeigen

Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Fluiddynamik
Maschineningenieurwesen

Keywords (8)

fluid; Rayleigh; nozzle; instability; droplet; non-axisymmetric; microfluidics; dynamics

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Die Erzeugung von flüssig-metal Tropfen im Grössenbereich von wenig Mikrometern ist ein wachsendes, vielfältiges Studiengebiet mit einer grossen Zahl von Anwendungen. Zu den bestehenden und zukünftigen Anwendungsgebieten gehören 3D Drucktechniken, additive Fertigungsverfahren wie Rapid Prototyping und lasergesteuerte Kernfusion. In vielen Anwendungen ist eine möglichst kleine Tropfengrösse von Vorteil, allerdings steigt mit sinkender Tropfengrösse die Komplexität der zur Tropfen-Generierung verwendeten Düsen. Bedingt durch Fertigungsungenauigkeiten bei der Herstellung kleinstmöglicher Düsen ergeben sich erhebliche funktionsrelevante Unterschiede zwischen identisch produzierten Düsen. Um eine konsistente Leistungsfähigkeit von miniaturisierten Düsen bei der Herstellung von Mikrometer-Tropfen zu erreichen, ist es notwendig, den Einfluss von Fertigungsungenauigkeiten der Düse auf die Qualität der resultierenden Tropfen zu bestimmen.
Lay summary
Das Hauptziel dieses Projektes ist, durch Untersuchung möglichst vieler Parameter der Geometrie von tropfenproduzierenden Düsen die Zusammenhänge zwischen Düsengeometrie und Qualität der resultierenden Tropfen zu ermitteln. Hierzu werden diverse Düsen hergestellt, teils mit erprobten, teils mit neuartigen Formen und Fertigungsverfahren. Ein kleiner Teil der hergestellten Düsen wird zerstört, um die inneren Eigenschaften wie Oberflächenrauheit und Rundheit zu überprüfen. Die übrigen Düsen werden mit zerstörungsfreien Verfahren wie z.B. einem Rasterelektronenmikroskop untersucht, um äusserliche geometrische Eigenschaften zu untersuchen. Die vermessenen Düsen werden anschliessend zur Generierung von Tropfen verwendet, wobei die Qualität der Tropfen für jede Düse exakt analysiert wird.
Zusätzlich zu den experimentellen Tests werden die gemessenen Düsenformen in Computersimulationen untersucht. Zahlreiche frühere Forschungsarbeiten haben die Tropfenproduktion von Düsen simuliert und getestet, allerdings unter Annahme idealer geometrischer Eigenschaften wie z.B. perfekter Rundheit der Düsen. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit werden derartige Idealisierungen durch realistischere Annahmen ersetzt; hierbei werden die Ergebnisse der zuvor vermessenen Düsen verwendet.
Zusammenfassend wird diese experimentelle und numerische Forschungsarbeit neue Einsichten in die physikalischen Vorgänge bei der Generierung von Tropfen im Mikrometer-Bereich liefern. Die Zusammenhänge zwischen Fertigungsungenauigkeiten der Düse und resultierender Qualität der Tropfen werden analysiert. Dieses Wissen wird dazu beitragen, in Zukunft bessere Fertigungsverfahren und Geometrien bei der Produktion von tropfen-generierenden Düsen zu wählen.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 02.10.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
164026 Fundamentals of Droplet Break-up Dynamics in a Laser Produced Plasma Light Source with Shaped Pre-Pulse Energy Distribution 01.09.2016 R'EQUIP
156754 Influence of laser pre-pulsing on droplet-based laser-produced plasmas 01.10.2014 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

The generation of stable and controllable droplets in the micrometer diameter range is a diverse field of study with a wide variety of applications, from ink jet printers, to additive manufacturing and laser-driven nuclear fusion. Many of these applications could be improved by a reduction in droplet size, but the droplet size is often limited by practical constraints that this proposal seeks to investigate.The main application of interest to this work is the production of a high-brightness light source in the extreme ultraviolet band via laser-produced plasma for the purpose of EUV lithography. Droplets are created by imposing a pressure disturbance on a jet of fluid as it exits a nozzle. This disturbance grows via Rayleigh instability until the jet breaks into discreet droplets. These droplets are then struck by a focused laser pulse, creating the plasma and light. In order to generate a stable light source it is critical that the source droplet train is stable temporally and spatially, however this presents major challenges with the droplet size and frequency needed for the laser. The perturbation to the droplet jet is operating in a region of low instability, resulting in a weak propagation of the perturbation into droplets and an increased effect of noise perturbations. Manufacturing limitations also play a role, as nozzle diameters used are around 10-30 µm, with aspect ratios in excess of 10-25. It is very challenging to manufacture nozzles in this range while tightly controlling parameters such as hole roundness and nozzle roughness. Microscopic contaminants within the fluid from dust or oxides can also play a strong role in blocking or disrupting the flow within the nozzle.These challenges in droplet generation revolve around practical, not theoretical, limitations and have not been investigated heavily. The main task of this research proposal is to perform an investigation of these limitations to determine the limiting parameters and how they impact droplet consistency and quality. This knowledge will help determine what is needed for generation of droplets of a given application, with the goal of improving droplet quality at increasingly smaller size.The postdoc shall investigate the quality of nozzles using SEM, quantifying parameters such as diameter, roundness, and internal roughness for both new and used nozzles of different materials and designs. The performance of these nozzles will then be investigated through an array of different tests and correlated against the physical properties of the nozzle.The postdoc shall also develop a nonlinear, non-axisymmetric numerical model of the jet stream and droplet breakup, while accounting for the identified limitations such as imperfections in nozzle outlet shape, noise in the actuation signal, and non-perpendicular fluid ejection.
-