Design, fabrication and process modelling of a near field electrospinning test bench

Cerda-Carvajal, Victor (2020). Design, fabrication and process modelling of a near field electrospinning test bench. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis presents a full test bench design, process modelling and some experimental work on near-field electrospinning. With the original objective of precisely controlling fiber placement with the electrospinning technique, a full analysis of existing techniques was done. Findings revealed design parameters, guidelines and choice technology for a proposed test bench. The main focus being optimization and parametrisation of a near-field electrospinning (NFES) experimentation.

The final test bench design implements high precision components. Linear bearings, preloaded ball screws and associated pillow blocks were provided by NSK. Intermediate mounting structures and motors were sized accordingly to machine requirements. High precision drives were coupled to stepper motors to create a 3 stage (x-y-z axis) programmable deposition surface. A computer numerical control (CNC) g-code oriented interface was fully created in the LabVIEW environment. Coupled to this is a novel high voltage NFES design that has a needle to needle setup to focalise the electric field.

Full process was modeled by separating and evaluating each physical phenomenon. The overall process, when the fluid shape is in steady state, is simplified to an equivalent solid model. Only linear behaviors such as Newtonian fluid characteristics and constant electric properties were taken into account. A 4% PVA solution was used throughout. A high relative permittivity, in the present case is the majority of the acting forces are at the air-fluid interface. Main forces include: surface tension and electrostatic pull with viscous forces and gravity playing a secondary role. A novel approach was used to estimate viscous forces by using computational fluid dynamics (CFD). Using a moving boundary with a constant tangential speed applied to the transition zone of the Taylor cone all along the formed jet, emulating an electrostatic pull. By varying CFD conditions, a simple linear function was obtained with viscosity and surface speed as variables to estimate overall viscous forces for a specific case.

Overall, the viscous forces were so low (under 2%), that they are negligible for similar fluids and setups. A unique evaporation model was developed to estimate solidification distance based on the Langmuir model, which predicts a value of around 1mm of jet length. Finally, a finite element analysis (FEA) with a simplified electrostatic solver reduces the Maxwell equations to Gauss’s and Faraday’s law. A relationship between a resulting pulling force and an electric field for the unique high voltage geometry was determined. Combining all forces by a sum, machine controllable parameters were extracted. These parameters are: flow rate, collector distance, speed and voltage. Although fibers did not produce the desired patterns, within a few tries their production occurred.

The observations, numerical simulations and the apparatus made (developed) in this work contribute to a better understanding of the complexity of the electrospinning processes.

Titre traduit

Conception, fabrication et modélisation d’un banc d’essai d’électrofilage à champ rapproché

Résumé traduit

Ce mémoire présente la conception, fabrication et modélisation du procédé d’électrofilage à champ rapproché. Ayant comme mandat initial d’améliorer le placement de fibres produites par électrofilage, une analyse de l’état de l’art a été faite. Celle-ci a permis d’établir les requis machine ainsi que de dresser les lignes directrices liées à la conception du banc d’essai. L’objectif principal étant l’optimisation du procédé ainsi que la aramétrisation des variables machine.

Le banc d’essai final combine des composantes de haute précision tel que des roulements linéaires, vis à billes et paliers fournis par NSK. Également combiné à des composantes intermédiaires de haute précision, celui-ci propose aussi une plateforme versatile en termes de futurs développements. Ayant un fonctionnement similaire à une machine à commande numérique, les trajectoires sont pilotées par code g dans un environnement LABVIEW. Trois moteurs pas à pas sont combinés pour obtenir des déplacement linéaires (x-y-z). Intégrant un assemblage unique de contrôle du haut voltage, le champ électrique est focalisé à l’aide d’un système pointe à pointe.

Une modélisation complète a été faite pour évaluer de manière séparée, tous les phénomènes physiques. Tout le procédé est ramené à un modèle solide équivalent pour évaluer le régime permanent. Afin de simplifier certaines analyses, le fluide est considéré comme étant newtonien ainsi qu’à propriétés électriques constantes. Une solution aqueuse de 4% de PVA est utilisé sur toute la ligne. Ayant une permittivité relative près de celle de l’eau, ceci suppose que la majorité de forces agissant sur le fluide se situent à l’interface air-liquide. Ces forces incluent celles liées à la tension de surface, le champ électrostatique, viscosité du fluide et gravité quoique cette dernière joue un rôle secondaire. Une approche novatrice est utilisée pour l’estimation des forces visqueuses. Utilisant un modèle numérique de dynamique des fluides, des conditions frontières mobiles avec une vitesse tangentielle constante est imposée à la zone de transition du cône de Taylor ainsi que le jet produit. En variant les propriétés physiques et conditions aux frontières, une équation linéaire contenant la viscosité et vitesse en surface est obtenue pour estimer les forces visqueuses d’un cas spécifique.

Somme tout, les forces visqueuses représentent des forces négligeables (moins de 2%). Un modèle d’évaporation unique a été développé pour estimer la distance de solidification des fibres produites. Basé sur le modèle de Langmuir, une valeur approximative de 1mm est utilisée. Par la suite, une analyse par éléments fini utilisant un solveur simplifié, les équations de Maxwell sont réduites aux lois de Faraday et Gauss. Suite à la variation du potentiel électrique, une relation est établie entre la force électrostatique et le champ électrique produit. Par la combinaison de toutes les forces, liées par les équations prédictives mentionnées plus haut, les paramètres machines sont calculés. Ces paramètres étant : le débit, distance du collecteur, vitesse et voltage appliqué. Quoique les fibres produites n’étaient pas organisées, la production de fibres a eu lieux très près des paramètres calculés.

Finalement, les observations, modèles numériques et banc d’essai fabriqué dans cet ouvrage, contribuent à une meilleure compréhension de la complexité du procédé d’électrofilage.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 107-110).
Mots-clés libres:	électrofilage, champ rapproché, banc d’essai, analyse par éléments finis, dynamique de fluides numérique, évaporation, modélisation, PVA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur Zednik, Ricardo
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:39
Dernière modification:	05 mai 2025 16:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2441

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