一種基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計方法與流程

本發明涉及計算機數值模擬及涂布領域，具體涉及一種基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計方法。

背景技術：

1、涂布是以改變和完善基材表面性能或保護基材為目的，將一層或多層具有特定功能的材料附著于基材表面的重要加工方式。已有的涂布技術主要包括：刷式涂布、噴霧涂布、浸沉涂布、坡流涂布、落簾涂布、狹縫涂布等。

2、其中，狹縫涂布是一種先進的預計量涂布技術，由柯達公司的bequin等在1954年發明。它在一定壓力下，將送入模頭的涂液沿著模具縫隙擠出并全部轉移到移動基材上形成涂層，對于給定的上料速度、涂層寬度、基材速度，可以較精確地預估涂層涂布量。狹縫涂布有諸多優勢，如：涂膜速度高、膜厚一致性好、涂液粘度范圍廣、涂布缺陷少、涂液利用率高以及可同時進行多層涂布等；不足之處有：設備成本高，對操作人員技術知識要求高，安裝和操作要求高，涂布模頭精度高維護成本高等。狹縫涂布技術意義重大，其研究主要集中在設備性能優化、涂布效率提升、模型研究等幾個方面。

3、狹縫涂布代表了濕法涂布的未來發展方向，其應用已從膠卷、造紙和印刷等傳統領域等向鋰電、光電、柔性電子、功能薄膜、平板顯示器、微納制造等新能源和新材料領域轉移，例如太陽能電池和鋰離子電池的極片涂布等。

4、狹縫涂布原理為：涂液首先輸入狹縫涂布模頭的貯液分配腔中，然后經過橫向的勻化作用，在狹縫的出口唇片處以液膜狀鋪展到被涂基材表面。這是一種預計量的涂布方式，即涂布量取決于輸入涂液量與基材運行速度之比，可預先精確設定。通常采用高精度無脈沖計量泵來輸送涂液，以保持涂液供料的穩定準確。通過控制涂布模頭和被涂基材之間的間隙以及模頭下方設置的負壓，可以達到薄層涂布的目的。涂布的均勻性主要取決于涂布模頭，特別是前后唇片的設計、加工精度、變形狀態和涂液本身的物性(流變特性和表面張力等)，以及涂布間隙、負壓和車速等工藝條件的設定。

5、狹縫涂布適用的物料粘度范圍較寬，通常在幾十厘泊～幾萬厘泊之間。涂布技術的最終目的是選擇符合涂布精度要求的涂布方式把特定涂液均勻地涂敷到基質上。涂布厚度的均勻性是涂布質量的重要體現。影響涂布厚度均勻性的因素主要有擠壓模頭型腔出口速度的均勻性、基材的平面度、涂液的均勻性以及表面張力等，其中模頭型腔出口速度的均勻性是最主要的影響因素。模頭型腔的幾何結構直接影響腔內的流場形態，所以狹縫涂布的均勻性與涂布模頭關系最為密切。

6、模頭腔體的幾何結構和外形尺寸是決定涂布質量的關鍵，優化結構參數能夠有效提高出口速度分布的均勻性。特定的涂液需要專用的涂布模頭，才能使涂布效果最佳化。模頭內部結構都是由進料口輸入到分配腔，再由分配腔把物料輸送到狹窄但長度為涂布寬度的阻流狹縫里，之后經副腔(有副腔的情況下)，再流經計量狹縫直到出口。目前主要是針對不同涂布物料，發明出相應的涂布模頭腔體結構或外型結構。由于狹縫涂布對模頭的精度要求極高，因此狹縫涂布模頭大多以進口為主，主要的供應商有mitsubishi、edi、alliesdie等。

7、模頭的幾何結構設計需要考慮諸多因素，包括：進料口位置、狹縫高度、分配腔大小、涂液特征對模頭結構的影響等。不同的腔體結構會影響狹縫出口處的涂液流動狀態，并進而影響涂布質量。涂布模頭各種幾何參數的確定是一項非常困難的工作，如果通過實驗來確定，投資花費將是巨大的，工作量也很繁重。

8、目前，對涂布模頭的設計主要依靠經驗和技藝，缺乏對機理的了解和認識，存在設計周期長、研發成本高、涂布質量優化及精度提升難以確定研發方向等問題，已經成為高性能產品涂布工藝的瓶頸。因而，研究涂液在模頭內的流動行為(內流場)，對于優化腔體結構，調控出口流量和流速，保證涂布質量具有重要意義。相比于實驗研究，建立模頭內流場的數學模型，充分利用數值模擬手段，可以為涂布機的設計研發和涂布過程的精確調控提供理論支撐。通過模擬實驗可以縮短研發周期、降低研發成本，是實現涂布模頭結構最優化的有效途徑。然而，已有研究和方法存在內流場數學模型經驗簡化、涂液流變模型難以獲取、算法復雜度過高、無法實現三維真實工況模擬等諸多局限，尚不能從內流場計算角度實現涂布模頭的結構設計。

9、這些缺陷具體表現在：

10、1.要實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計，首先要解決涂布模頭的參數化幾何建模問題，建立模頭的幾何模型庫，然而現有解決方案中尚無相關技術。

11、常用的狹縫涂布模頭有梯形單腔體結構、梯形雙腔體結構、全液滴型單腔體結構、全液滴型雙腔體結構、半液滴型單腔體結構、半液滴型雙腔體結構、半圓形單腔體結構、半圓形雙腔體結構、圓形單腔體結構、衣架形單腔體結構等。每種腔體結構都有很多不同的腔體尺寸，如腔體大小、狹縫高度、狹縫長度等。對于不同的涂液和工況，為了保證的涂布質量，會對模頭結構進行調整。此外，模頭結構還有中間進料和單側進料兩種不同的進料方式。這種模頭結構的多樣性，給其優化設計帶來很大難度。

12、2.要實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計，第二個需要解決的問題是，建立涂液流變性質的本構模型庫，然而現有解決方案大多將涂液視為粘度為常數的牛頓流體，不能刻畫涂液性質對涂布質量帶來的影響。

13、實際涂布過程中，涂布質量由涂液粘度、固含量、流變性、表面張力、涂布速度、溫度、墊片厚度、模頭唇口與基材距離等多種因素共同決定。涂液特征不同時，往往需要選用不同的涂布模頭。通常，涂液是一個兩相混合體系，固相主要是微小的顆粒，液相則以可溶膠粘劑的水溶液為主，一般多為非牛頓型流體。涂液的均勻性、穩定性、邊緣和表面效應受到涂液流變特性影響，從而直接決定涂層質量。粘度變化是刻畫涂液流變性質的關鍵，而涂液的粘度在模頭腔體內是變化的，這給涂布模頭的設計帶來了困難。總之，涂液特征對涂布模頭結構設計具有約束性，不同的涂液需要不同的腔體結構與之相適應。

14、3.要實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計，第三個需要解決的問題是，采用考慮涂液非牛頓流體性質的全三維流體動力學模型進行計算。

15、隨著計算機技術的發展，數值模擬已在狹縫涂布工藝的革新中發揮了重要作用，根據模擬結果可對模頭結構進行優化改進。早期的研究受制于計算機模擬條件，很難實現模頭內流場的三維計算流體動力學模擬。在當時的歷史條件下，學者們根據模頭幾何結構的對稱性和涂液在模頭內的流動特點對navier-stokes方程進行了極大簡化，并利用簡化模型對模頭內流場(主要是狹縫部分)進行了一些理論分析，總結出了一些對生產實際具有指導意義的重要結論和規律。然而，簡化模型只適用于計量狹縫部分，沒有考慮分配腔的結構和形狀，因而不能用于整個涂布模頭的定量分析。對于給定的涂布工藝要求和涂液參數，模頭結構到底該如何設計是簡化模型無法回答的問題。由于簡化模型的這些限制，很多學者逐漸擴大了模擬范圍，開始將目光轉向整個模頭內流場的全局一體化建模和分析。主流研究以二維為主，全三維的模擬研究還非常少見，并且大多為基于fluent、polyflow等商業軟件的牛頓流體模擬，模型修改和仿真規模受到很大限制。

16、4.要實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計，第四個需要解決的問題是，設計出高效的快速模擬算法。

17、狹縫涂布的模頭結構比較特殊，為了獲得很薄的涂層，狹縫高度通常非常小(可達0.2mm以下)，而腔體尺寸則較大。這種各部分尺寸存在數量級差異的特殊結構，給數值模擬帶來巨大的計算開銷，使得已有的數值模擬主要是針對大狹縫的中小規模計算，與實際的應用場景尚有較大差距。

18、5.要實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計，第五個需要解決的問題是，選擇可度量的優化指標，并設計優化過程的加速計算技術。

19、受模型和算法等諸多因素的限制，目前的技術還無法實現基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計。這些因素不僅包括前面提到的四點內容，還包括缺少模頭結構的優化算法。

技術實現思路

1、為了綜合解決上述問題，通過模頭結構的參數化幾何建模、涂液流變數據的自動擬合、三維非牛頓模頭內流場的建模、內流場模型的快速求解、模頭結構的加速優化算法五個環節，提出一種基于內流場計算的涂布模頭結構設計方法。這種全新的設計方法，將有利于提高模頭結構的設計效率，成為依靠經驗和技藝的傳統模頭設計方法的重要補充。

2、為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種基于內流場計算的狹縫涂布模頭結構設計方法，包括：

3、步驟1：輸入給定涂布溫度下的涂液流變數據；

4、步驟2：根據步驟1輸入的涂液流變數據，由涂液流變數據的自動擬合模型庫產生涂液的本構模型；

5、步驟3：選擇模頭類型及參數，采用基于正交實驗的模頭結構快速優化算法設計正交實驗；

6、步驟4：根據步驟3設計的正交實驗，輸入模頭參數，使用模頭結構的參數化幾何模型庫生成模頭幾何；

7、步驟5：將模頭幾何節點處的網格參數輸入gmsh軟件，通過gmsh軟件生成模頭的三維有限元計算網格；

8、步驟6：建立內流場模型，在步驟5的三維有限元計算網格上對模頭的內流場模型進行離散，調用步驟2的本構模型獲取各網格點處的實時粘度值，并使用內流場模型的快速求解方法進行內流場計算；

9、步驟7：根據步驟6計算的內流場信息，計算模頭出口處的寬向均一度；

10、步驟8：若步驟7的寬向均一度達到要求，則計算終止，輸出設計出的模頭幾何參數；

11、否則，調整模頭幾何參數，返回步驟3。

12、優選的，步驟1的涂液流變數據包括涂液的剪切率和粘度值。

13、優選的，步驟2的自動擬合模型庫包括四種本構模型包括：冪律模型、三參數模型、carreau模型以及cross模型；

14、冪律型的本構方程：

15、

16、其中，η為涂液粘度，k為冪律系數，n為冪律指數，其值可表示非牛頓流體的非牛頓特性強弱，表示剪切速率；

17、三參數模型的本構方程：

18、

19、其中，η0為無窮小粘度，k為一致性指數；

20、carreau模型的本構方程：

21、

22、其中，η∞為無窮大剪切粘度，η0為無窮小粘度，λ為時間常數，n為冪律指數；

23、cross模型的本構方程：

24、

25、其中，c為cross時間常數，m為cross速率常數。

26、優選的，步驟6的內流場模型為：

27、條縫涂布的內流場用三維的等溫不可壓縮navier-stokes方程表示，控制方程的具體形式如下：

28、質量守恒方程：

29、

30、動量守恒方程：

31、

32、

33、

34、其中，x,y,z為坐標分量，u,v,w分別為三個方向的速度，ρ為流體密度，p為流體壓強，tij為應力分量；

35、涂液的應力-應變率關系為：

36、

37、其中，η為涂液粘度，剪切速率的計算式為：

38、

39、u＝(u,v,w)t為速度矢量，▽u為速度梯度張量。

40、優選的，步驟6內流場模型的快速求解方法為：

41、步驟6.1：求解涂液的預估流動速度：

42、

43、其中u*為中間速度，上標n代表時間步；re為reynolds數；

44、步驟6.2：求解涂液壓力：

45、

46、即

47、步驟6.3：校正預估流動速度：

48、

49、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

50、1.本發明可以為模頭結構的優化設計提供理論參考，為不同應用場景下模頭結構的調整指明方向，相比于完全依靠經驗和技藝的設計方法，新方法所需的模型樣機數量將減少，從而提高設計效率、降低研發成本；

51、2.本發明獨具創新，能夠精準提供不同幾何模頭內部流場的詳盡信息，并通過先進的可視化技術將涂布過程呈現得淋漓盡致。這不僅讓研究人員能夠深入洞察模頭內部幾何對涂布過程的微妙影響，同時也為宣傳展示、教育培訓等領域提供了極大的便利。

52、3.本發明降低了模頭結構優化研究的入門門檻，相比于之前先有具體的模頭實體才能進一步試驗優化的過程，本發明為模頭結構優化提供了有效的工具，提高了便利性；

53、4.本發明在模頭結構設計方面展現了無限的可能性。它具備生成任意形狀模頭幾何的能力，使得那些因生產難度高或研發成本過大而被放棄的復雜模頭幾何設計得以重生。這一創新為模頭幾何設計領域帶來了新的突破和無限可能。

54、5.通過應用本發明進行模頭的創建和優化，能夠顯著減少在試驗過程中不必要的耗材浪費，進而實現節能減排。