مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل تجربی جریان منقطع مذاب قلع در پمپ الکترومغناطیس و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر تعداد قطرات مذاب

نوع مقاله : پژوهشی کیفی

نویسندگان
فرید باقرپور 1
علیرضا صادقی 2
سید کامبیز قائمی اسکویی 3
1 دانشجوی دکتری
2 عضو هیئت علمی دانشگاه تهران
3 عضو هیئت علمی دانشکده فنی کاسپین دانشگاه تهران
10.52547/mme.22.12.727
چکیده
رسانایی مذاب فلزات این امکان را فراهم می­سازد تا بتوان با بهره­گیری از نیروهای الکترومغناطیس بدون استفاده از قطعه‌ای مکانیکی، به مذاب نیرو وارد نموده و موجب جابه‌جایی آن شد. از جمله مزیت­های مهم این فرایند، حذف قطعات مکانیکی است که معمولا در تماس با مذاب­های فلزات در خطر خوردگی و تنش حرارتی قرار می‌گیرند. در این پژوهش نوعی پمپ الکترومغناطیسی به منظور ایجاد جریان منقطع مذاب به هدف دستیابی به نازل قابل کنترل در کاربردهای مختلف معرفی شده است. در این پمپ تولید قطرات بر حسب تقاضا بر اساس تخلیه قطره‌های سیال رسانا به کمک ایجاد جریان گردابی و نیروهای الکترومغناطیسی متناوب در داخل مذاب استوار است. ساز و کار این سیستم بر مبنای کویل القایی به واسطه جریان متناوب سبب ایجاد نیروی تناوبی در مذاب و در نهایت ایجاد جریان منقطع داخل مذاب می­شود. مهم‌ترین پارامترهای موثر در کویل القایی محرک جریان مذاب، ولتاژ، جریان و فرکانس هستند که به منظور کنترل عملکرد پمپ، درک صحیح از عملکرد آن­ها ضروری است. در این پروژه با بررسی و مطالعه پارامترهای مختلف تاثیرگذار در ایجاد این جریان منقطع اقدام به طراحی دستگاهی به منظور تولید قطرات مذاب شد. نتایج نشان داد که در ولتاژ 280 ولت و زمان روشنی پالس یک و نیم میلی ثانیه با افزایش فرکانس از 5 به 20 هرتز تعداد قطرات خروجی از نازل از 144 به 246 قطره افزایش یافت. همچنین بیشترین تعداد خروجی قطره در فرکانس 20 هرتز، میزان ولتاژ 280 ولت و زمان روشنی پالس 1.5 میلی ثانیه رخ داد.

کلیدواژه‌ها
پمپ الکترومغناطیس
جریان منقطع مذاب
پودر فلزات
قلع

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Analysis of Discontinuous Flow of Molten Sn in an Electromagnetic Pump and Investigation of Effective Parameters on Flow Geometry

نویسندگان English

Farid bagherpoor 1
Alireza Sadeghi 2
Kambiz Oskouei 3
1 Ph.D. student
2 Assistant Professor at University of Tehran
3 assistant professor
چکیده English

Melt conductivity of metals makes it possible to apply force directly to the melt by electromagnetic forces. The movement of melt performs without using any mechanical parts, and it also reduces the risk of corrosion of metal parts in contact with molten metals. In this research, a discontinuous molten flow is generated from a designed nozzle, and after a cooling process, the droplets convert to metal powders or granules. In this pump, drop-on-demand formation is based on eddy currents and alternating electromagnetic forces inside the melt. The most important effective parameters in the induction coil are the current, voltage, and frequency. In order to control the operation of the pump, it is necessary to understand its effects and to find the optimal conditions. The results of studies show that the most effective parameter affecting the number of drops released per unit of time is the voltage of the coil and then the frequency and finally the pulse on time. In this project, by studying various effective parameters, a device was designed to generate molten droplets. The results showed at the voltage of 280 v, pulse-On time of 1.5 ms, and also by increasing frequency from 5 to 20 Hz, the number of droplets increased from 144 to 246 drops. The highest number of drop outputs occurred at the frequency of 20 Hz, Voltage of 280 v, and pulse-On time of 1.5 milliseconds.

کلیدواژه‌ها English

Electromagnetic pumps
Drop of Demands
Metal powder
Tin
[1] V. Sukhotskiy, P. Vishnoi, I. H. Karampelas, S. Vader, Z. Vader, and E. P. Furlani, "Magnetohydrodynamic Drop-on-Demand Liquid Metal Additive Manufacturing: System Overview and Modelling," Proc. 5th Int. Conf. Fluid Flow, Heat Mass Transf., no. 155, pp. 1-6, 2018, doi: 10.11159/ffhmt18.155. [DOI:10.11159/ffhmt18.155]
[1] V. Sukhotskiy, P. Vishnoi, I. H. Karampelas, S. Vader, Z. Vader, and E. P. Furlani, "Magnetohydrodynamic Drop-on-Demand Liquid Metal Additive Manufacturing: System Overview and Modelling," Proc. 5th Int. Conf. Fluid Flow, Heat Mass Transf., no. 155, pp. 1-6, 2018, doi: 10.11159/ffhmt18.155. [DOI:10.11159/ffhmt18.155]
[2] J. Luo, L. H. Qi, J. M. Zhou, X. H. Hou, and H. J. Li, "Modeling and characterization of metal droplets generation by using a pneumatic drop-on-demand generator," J. Mater. Process. Technol., vol. 212, no. 3, pp. 718-726, 2012, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.04.014. [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2011.04.014]
[2] J. Luo, L. H. Qi, J. M. Zhou, X. H. Hou, and H. J. Li, "Modeling and characterization of metal droplets generation by using a pneumatic drop-on-demand generator," J. Mater. Process. Technol., vol. 212, no. 3, pp. 718-726, 2012, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.04.014. [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2011.04.014]
[3] S. Y. Zhong, L. H. Qi, W. Xiong, J. Luo, and Q. X. Xu, "Research on mechanism of generating aluminum droplets smaller than the nozzle diameter by pneumatic drop-on-demand technology," Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 93, no. 5-8, pp. 1771-1780, 2017, doi: 10.1007/s00170-017-0484-x. [DOI:10.1007/s00170-017-0484-x]
[3] S. Y. Zhong, L. H. Qi, W. Xiong, J. Luo, and Q. X. Xu, "Research on mechanism of generating aluminum droplets smaller than the nozzle diameter by pneumatic drop-on-demand technology," Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 93, no. 5-8, pp. 1771-1780, 2017, doi: 10.1007/s00170-017-0484-x. [DOI:10.1007/s00170-017-0484-x]
[4] U. Daalkhaijav, O. D. Yirmibesoglu, S. Walker, and Y. Mengüç, "Rheological Modification of Liquid Metal for Additive Manufacturing of Stretchable Electronics," Adv. Mater. Technol., vol. 3, no. 4, pp. 1-9, 2018, doi: 10.1002/admt.201700351. [DOI:10.1002/admt.201700351]
[4] U. Daalkhaijav, O. D. Yirmibesoglu, S. Walker, and Y. Mengüç, "Rheological Modification of Liquid Metal for Additive Manufacturing of Stretchable Electronics," Adv. Mater. Technol., vol. 3, no. 4, pp. 1-9, 2018, doi: 10.1002/admt.201700351. [DOI:10.1002/admt.201700351]
[5] L. Wang and J. Liu, "Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink," Sci. China Technol. Sci., vol. 57, no. 9, pp. 1721-1728, 2014, doi: 10.1007/s11431-014-5583-4. [DOI:10.1007/s11431-014-5583-4]
[5] L. Wang and J. Liu, "Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink," Sci. China Technol. Sci., vol. 57, no. 9, pp. 1721-1728, 2014, doi: 10.1007/s11431-014-5583-4. [DOI:10.1007/s11431-014-5583-4]
[6] T. Ottnad, M. Kagerer, F. Irlinger, and T. C. Lueth, "Modification and further development of a drop on demand printhead for wax enabling future 3D-printing and rapid prototyping," IEEE/ASME Int. Conf. Adv. Intell. Mechatronics, AIM, pp. 117-122, 2012, doi: 10.1109/AIM.2012.6265958. [DOI:10.1109/AIM.2012.6265958]
[6] T. Ottnad, M. Kagerer, F. Irlinger, and T. C. Lueth, "Modification and further development of a drop on demand printhead for wax enabling future 3D-printing and rapid prototyping," IEEE/ASME Int. Conf. Adv. Intell. Mechatronics, AIM, pp. 117-122, 2012, doi: 10.1109/AIM.2012.6265958. [DOI:10.1109/AIM.2012.6265958]
[7] M. Suter, E. Weingärtner, and K. Wegener, "MHD printhead for additive manufacturing of metals," Procedia CIRP, vol. 2, no. 1, pp. 102-106, 2012, doi: 10.1016/j.procir.2012.05.049. [DOI:10.1016/j.procir.2012.05.049]
[7] M. Suter, E. Weingärtner, and K. Wegener, "MHD printhead for additive manufacturing of metals," Procedia CIRP, vol. 2, no. 1, pp. 102-106, 2012, doi: 10.1016/j.procir.2012.05.049. [DOI:10.1016/j.procir.2012.05.049]
[8] S. I. Moqadam, L. Mädler, and N. Ellendt, "A high temperature drop-on-demand droplet generator for metallic melts," Micromachines, vol. 10, no. 7, pp. 1-12, 2019, doi: 10.3390/mi10070477. [DOI:10.3390/mi10070477]
[8] S. I. Moqadam, L. Mädler, and N. Ellendt, "A high temperature drop-on-demand droplet generator for metallic melts," Micromachines, vol. 10, no. 7, pp. 1-12, 2019, doi: 10.3390/mi10070477. [DOI:10.3390/mi10070477]
[9] S. Y. Zhong, L. H. Qi, J. Luo, H. S. Zuo, X. H. Hou, and H. J. Li, "Effect of process parameters on copper droplet ejecting by pneumatic drop-on-demand technology," J. Mater. Process. Technol., vol. 214, no. 12, pp. 3089-3097, 2014, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.07.012. [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2014.07.012]
[9] S. Y. Zhong, L. H. Qi, J. Luo, H. S. Zuo, X. H. Hou, and H. J. Li, "Effect of process parameters on copper droplet ejecting by pneumatic drop-on-demand technology," J. Mater. Process. Technol., vol. 214, no. 12, pp. 3089-3097, 2014, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.07.012. [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2014.07.012]
[10] H. P. Li, H. J. Li, L. H. Qi, J. Luo, and H. S. Zuo, "Simulation on deposition and solidification processes of 7075 Al alloy droplets in 3D printing technology," Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed., vol. 24, no. 6, pp. 1836-1843, 2014, doi: 10.1016/S1003-6326(14)63261-1. [DOI:10.1016/S1003-6326(14)63261-1]
[10] H. P. Li, H. J. Li, L. H. Qi, J. Luo, and H. S. Zuo, "Simulation on deposition and solidification processes of 7075 Al alloy droplets in 3D printing technology," Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed., vol. 24, no. 6, pp. 1836-1843, 2014, doi: 10.1016/S1003-6326(14)63261-1. [DOI:10.1016/S1003-6326(14)63261-1]
[11] S. Vader, Z. Vader, I. H. Karampelas, and E. P. Furlani, "Advances in Magnetohydrodynamic Liquid Metal Jet Printing," no. 716, pp. 2-5.
[11] S. Vader, Z. Vader, I. H. Karampelas, and E. P. Furlani, "Advances in Magnetohydrodynamic Liquid Metal Jet Printing," no. 716, pp. 2-5.
[12] J. Jang and S. S. Lee, "Theoretical and experimental study of MHD (magnetohydrodynamic) micropump," Sensors Actuators A Phys., vol. 80, no. 1, pp. 84-89, Mar. 2000, doi: 10.1016/S0924-4247(99)00302-7. [DOI:10.1016/S0924-4247(99)00302-7]
[12] J. Jang and S. S. Lee, "Theoretical and experimental study of MHD (magnetohydrodynamic) micropump," Sensors Actuators A Phys., vol. 80, no. 1, pp. 84-89, Mar. 2000, doi: 10.1016/S0924-4247(99)00302-7. [DOI:10.1016/S0924-4247(99)00302-7]
[13] I. Martynovich, "Magnetohydrodynamic Pump Work Simulation," 2018 Int. Russ. Autom. Conf., no. 5, pp. 1-5, 2018. [DOI:10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501760]
[13] I. Martynovich, "Magnetohydrodynamic Pump Work Simulation," 2018 Int. Russ. Autom. Conf., no. 5, pp. 1-5, 2018. [DOI:10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501760]
[14] D. J. Hartl, G. J. Frank, and J. W. Baur, "Embedded magnetohydrodynamic liquid metal thermal transport : validated analysis and design optimization," 2016, doi: 10.1177/1045389X16657429. [DOI:10.1177/1045389X16657429]
[14] D. J. Hartl, G. J. Frank, and J. W. Baur, "Embedded magnetohydrodynamic liquid metal thermal transport : validated analysis and design optimization," 2016, doi: 10.1177/1045389X16657429. [DOI:10.1177/1045389X16657429]
[15] کارمزدی، محسن و شفیعی، محمدبهشاد و افشین، حسین،1397،بررسی حرکت توده مایع رسانا جهت شناسایی عملکرد میکروپمپ الکترومغناطیسی،26th Annual Conference of Mechanical Engineering،Semnan،https://civilica.com/doc/817102." 2018.
[15] کارمزدی، محسن و شفیعی، محمدبهشاد و افشین، حسین،1397،بررسی حرکت توده مایع رسانا جهت شناسایی عملکرد میکروپمپ الکترومغناطیسی،26th Annual Conference of Mechanical Engineering،Semnan،https://civilica.com/doc/817102." 2018.
[16] Z. Luo, Z. Li, X. Wang, and W. Li, "Fabrication of solder balls via electromagnetic jetting," NEMS 2018 - 13th Annu. IEEE Int. Conf. Nano/Micro Eng. Mol. Syst., pp. 519-522, 2018, doi: 10.1109/NEMS.2018.8556903. [DOI:10.1109/NEMS.2018.8556903]
[16] Z. Luo, Z. Li, X. Wang, and W. Li, "Fabrication of solder balls via electromagnetic jetting," NEMS 2018 - 13th Annu. IEEE Int. Conf. Nano/Micro Eng. Mol. Syst., pp. 519-522, 2018, doi: 10.1109/NEMS.2018.8556903. [DOI:10.1109/NEMS.2018.8556903]
[17] Z. Luo, X. Wang, L. Wang, D. Sun, and Z. Li, "Drop-on-demand electromagnetic printing of metallic droplets," Mater. Lett., vol. 188, no. August 2016, pp. 184-187, 2017, doi: 10.1016/j.matlet.2016.11.021. [DOI:10.1016/j.matlet.2016.11.021]
[17] Z. Luo, X. Wang, L. Wang, D. Sun, and Z. Li, "Drop-on-demand electromagnetic printing of metallic droplets," Mater. Lett., vol. 188, no. August 2016, pp. 184-187, 2017, doi: 10.1016/j.matlet.2016.11.021. [DOI:10.1016/j.matlet.2016.11.021]
[18] M. W. Lee, D. K. Kang, N. Y. Kim, H. Y. Kim, S. C. James, and S. S. Yoon, "A study of ejection modes for pulsed-DC electrohydrodynamic inkjet printing," J. Aerosol Sci., vol. 46, pp. 1-6, 2012, doi: 10.1016/j.jaerosci.2011.11.002. [DOI:10.1016/j.jaerosci.2011.11.002]
[18] M. W. Lee, D. K. Kang, N. Y. Kim, H. Y. Kim, S. C. James, and S. S. Yoon, "A study of ejection modes for pulsed-DC electrohydrodynamic inkjet printing," J. Aerosol Sci., vol. 46, pp. 1-6, 2012, doi: 10.1016/j.jaerosci.2011.11.002. [DOI:10.1016/j.jaerosci.2011.11.002]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 22، شماره 12
آذر 1401
صفحه 727-736