Mots-clés

Impression à jet d’encre continu, Imprimante, goutte à la demande, champ électrostatique, force de Coulomb, force de Lorentz, trajectoires balistiques, LiveLink™ for MATLAB®

Contexte / Objectif

Lors du processus d’impression à jet d’encre continu, un jet d’encre est chargé électriquement via des électrodes, se fragmente en plusieurs gouttelettes et imprime finalement le produit. La trajectoire des gouttelettes chargées est directement dépendante du champ électrique d’une seconde paire d’électrodes, dites de déflexion, entre lesquelles une tension constante est imposée. Pour une qualité d’impression optimale, il est primordial de maitriser et de contrôler la trajectoire des gouttelettes durant leur vol.

Afin de bénéficier d’un outil d’aide à la conception des futures têtes d’imprimantes, un modèle numérique est créé avec COMSOL Multiphysics® pour simuler les trajectoires des gouttelettes  en tenant compte des différentes forces exercées lors du vol : force de gravité, force d’interaction entre les gouttes (force de Coulomb), force électrostatique dues aux électrodes (force de Lorentz).

Réalisations de SIMTEC / Résultats

Markem-Imaje et SIMTEC ont élaboré un modèle numérique en deux dimensions de la tête d’impression considérée, en se plaçant dans le plan de trajectoire des gouttes.

Photographie (gauche) et géométrie 2D simplifiée (droite) de la tête d'impression

Le travail a consisté à développer un modèle selon les étapes suivantes :

• Simplification géométrique 2D
• Détermination des charges des gouttes à partir de données expérimentales sous MATLAB®, grâce à l’interface LiveLink™ entre MATLAB® et COMSOL Multiphysics®
• Calcul du champ électrique dû aux électrodes de déflexion via la résolution en régime stationnaire de l’équation de Maxwell-Gauss

Norme du champ électrique (gauche) et potentiel électrique (droite) dûs aux électrodes de déflexion

• Calcul des trajectoires des particules via la résolution du principe fondamental de la dynamique appliqué aux gouttes d’encre. Ce calcul est facilité via l’utilisation du module Particle Tracing de COMSOL Multiphysics®. La force de Lorentz due au champ électrique, la gravité ainsi que les interactions électriques entre les gouttes (force de Coulomb), répulsives car les gouttes ont des charges électriques de même signe, sont prises en compte

Influence de la charge de la goutte sur sa trajectoire : charge de 0.48 pC (gauche) contre 1.93 pC(droite)

Le modèle numérique est vérifié par rapport aux résultats analytiques simplifiés, tandis que la position finale simulée des gouttes, au niveau de la zone d’impression, montre un bon accord avec les résultats expérimentaux. Ce travail numérique montre la collaboration fructueuse entre SIMTEC et Markem-Imaje, au service d’une innovation technologique maîtrisée et ambitieuse.