Deposition behaviour of metal micro-droplets in laser-induced forward transfer

Droplet impact dynamics are fundamental to advanced manufacturing techniques such as additive manufacturing, microfabrication, and Laser-induced forward transfer. This study investigates the interplay between spreading dynamics and thermal dissipation during metal microdroplet deposition, focusing on the effects of impact velocity, and substrate thermal properties and temperature. Computational fluid dynamics simulations have been employed to investigate droplet behavior under various conditions. The results reveal that higher velocities promote enhanced spreading and accelerate solidification. Metallic substrates result in limited droplet spreading and reduced recoiling due to the rapid solidification of the droplet. Contact resistance significantly diminishes the influence of higher thermal conductivity in metals, substantially affecting droplet cooling rates and morphology. This effect reduces the overall relevance of thermal conductivity in metallic materials, as the differences in droplet behavior on such substrates show only slight variations. Conversely, insulating substrates with low thermal conductivity facilitate extended spreading, delayed solidification, and prolonged recoiling, leading to distinct morphological outcomes. Furthermore, the temperature of the receiving substrate proves to be a critical factor in shaping droplet morphology. The research developed a dimensionless predictive framework that integrates impact velocity, droplet physical properties, and substrate material to accurately predict droplet morphology.

Le dinamiche di impatto delle microgocce rivestono un ruolo cruciale nelle tecniche avanzate di manifattura, tra cui la produzione additiva, la microfabbricazione e il trasferimento laser indotto (LIFT). Il presente studio analizza l’interazione tra la dinamica di espansione e la dissipazione termica durante la deposizione di microgocce metalliche, con particolare attenzione agli effetti della velocità di impatto, delle proprietà termiche del substrato e della sua temperatura. Simulazioni di fluidodinamica computazionale sono state impiegate per esaminare il comportamento delle gocce in diverse condizioni operative. I risultati evidenziano che velocità di impatto più elevate favoriscono un’espansione maggiore e un’accelerazione della solidificazione. Nei substrati metallici, l’espansione risulta più limitata e il ritorno ridotto a causa della rapida solidificazione della goccia. La resistenza di contatto si è rivelata un fattore determinante, attenuando significativamente l'influenza della conducibilità termica nei metalli e influenzando in modo sostanziale la velocità di raffreddamento e la morfologia della goccia. Di conseguenza, la conducibilità termica dei materiali metallici assume un ruolo secondario, poiché le variazioni nella morfologia della goccia su questi substrati risultano minime. Al contrario, i substrati isolanti, caratterizzati da una bassa conducibilità termica, favoriscono un’espansione più estesa, una solidificazione ritardata e un ritorno prolungato, determinando morfologie nettamente differenti. Inoltre, la temperatura del substrato ricevente si è dimostrata un parametro chiave nella definizione della morfologia finale della goccia. Sulla base di queste evidenze, è stato sviluppato un modello predittivo adimensionale che integra velocità di impatto, proprietà fisiche della goccia e caratteristiche del substrato, consentendo una previsione accurata della morfologia finale del deposito.