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

Résumé

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.

Date	15 janv. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)) & Ricardo J. Zednik (Codirecteur(-trice))