Multi-physics simulation of metal printing at micro/nanoscale using meniscus-confined electrodeposition: Effect of nozzle speed and diameter

喷嘴 多物理 材料科学 弯月面 毛细管作用 纳米尺度 复合材料 机械 有限元法 纳米技术 热力学 光学 物理 入射(几何)
作者
S.R. Morsali,Soheil Daryadel,Zhong Zhou,Ali Behroozfar,Mahmoud Baniasadi,Salvador Moreno,Dong Qian,Majid Minary‐Jolandan
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:121 (21) 被引量:47
标识
DOI:10.1063/1.4984910
摘要

Meniscus-confined electrodeposition (MCED) is a solution-based, room temperature process for 3D printing of metals at micro/nanoscale. In this process, a meniscus (liquid bridge or capillary) between a nozzle and a substrate governs the localized electrodeposition process, which involves multiple physics of electrodeposition, fluid dynamics, mass, and heat transfer. We have developed a multiphysics finite element (FE) model to investigate the effects of nozzle speed (vN) and nozzle diameter (D0) in the MCED process. The simulation results are validated with experimental data. Based on theoretical approach and experimental observation, the diameter of the deposited wire is in the range of 0.5–0.9 times of the nozzle diameter. The applicable range for vN for various nozzle diameters is computed. The results showed that the contribution of migration flux to total flux remains nearly constant (∼50%) for all values of pipette diameter in the range examined (100 nm–5 μm), whereas the contribution of diffusion and evaporation fluxes to total flux increase and decrease with the increasing pipette diameter, respectively. Results of this multiphysics study can be used to guide the experiment for optimal process conditions.

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