Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Films liquides minces“

Cette thèse est consacrée à l'étude de films minces de cristaux liquides, et en particulier à leurs propriétés de mouillage d'une plaquette de silicium. Nous présentons tout d'abord l'étude d'une transition de mouillage prenant place au voisinage de la transition nématique-isotrope. Nous montrons que l'évolution du paramètre d'étalement de gouttes isotropes en fonction de la température suit une loi d'échelle au voisinage de la transition de mouillage, caractéristique des transitions de phase du second ordre. Au plus près de la transition, il s'avère que la structuration des premières couches moléculaires des gouttes isotropes au contact de la surface solide affecte les propriétés de mouillage à l'échelle macroscopique. De l'autre côté de la transition, des relevés ellipsométriques du profil d'épaisseur des gouttes nématiques en fonction de la température ont permis de mettre en évidence le rôle des propriétés élastiques du cristal liquide dans la transition de mouillage, en relation avec le modèle de "crêpe élastique". Nous discutons ensuite de la stabilité de films nématiques étendus, d'épaisseurs variables, en fonction de la température. Nous avons mis en évidence une épaisseur de stabilité marginale, en dessous de laquelle les films se révèlent instables, dont les variations reflètent celles du paramètre d'ordre nématique. L'étude de la dynamique des structures qui se forment à la surface libre de films instables nous permet de mettre en évidence les parentés entre cette instabilité de surface et le processus de décomposition spinodale dans les mélanges binaires. Enfin, nous présentons une étude expérimentale de la dynamique d'étalement de gouttes smectiques en relation avec le modèle d'écoulement de gouttes stratifiées de de Gennes-Cazabat.

Source d'émerveillement et d'inspiration poétique, la beauté éphémère des films de savon recèle des questions scientifiques fondamentales, qui ont de nombreuses répercussions pour des applications allant de la formulation des shampoings à la récupération du pétrole. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la vie d'un film de savon, depuis sa génération jusqu'à sa rupture, dépend des propriétés physico-chimiques des tensioactifs qui le stabilisent.Dans une première partie, je m'intéresse à la génération de films savonneux verticaux, que je modélise à l'aide d'un modèle stationnaire supposant des tensioactifs insolubles. Je montre que l'épaisseur de tels films est gouvernée à la fois par la vitesse de génération et l'élasticité de surface du film. Le modèle décrit avec succès les données expérimentales pour des tensioactifs solubles, au moins dans le cas où l'adsorption est lente. Je présente également un dispositif expérimental original permettant de générer des films stabilisés par des tensioactifs insolubles, qui constituent un système modèle prometteur.Dans un second temps, j'étudie l'évolution temporelle – i.e. le drainage et la rupture – de films liquides minces en génération continue, en commençant par le cas simplifié des liquides purs. A l'aide d'une simulation non-stationnaire, je parviens à prédire le temps de vie de films d'huile silicone fonction de la vitesse de génération, qui se montre en accord quantitatif avec les expériences. Je caractérise ensuite expérimentalement le drainage des films savonneux en fonction de différents paramètres – position dans le film, vitesse de génération et humidité ambiante – et montre l'influence de la concentration en tensioactif dTAB et de l'humidité sur le temps de vie du film. Pour terminer, j'explore l'influence de la concentration en tensioactifs sur le drainage et la rupture de bulles hémisphériques flottant à la surface d'un bain savonneux, un système se rapprochant des mousses réelles
The ephemeral beauty of soap films is not only a source of wonder and poetic inspiration, but also conceals fundamental scientific questions, which are at the heart of various applications, ranging from shampoo formulation to oil recovery. This work aims at understanding how the life of a soap film, from its generation until its rupture, is affected by the physical-chemical properties of the surfactants used to stabilise it.First, I present a stationary model describing the generation of vertical soap films, under the assumption of insoluble surfactants. I show that the film thickness is controlled by both the generation velocity and the film surface elasticity. The model successfully describes experimental data for soluble surfactants, at least when adsorption is slow. I also introduce an original experimental set up for the generation of liquid films stabilised by insoluble surfactants, which are certainly a promising model system. Secondly, I study the time evolution – i.e. the drainage and rupture – of thin films pulled from a liquid bath, starting with the simplified case of pure liquids. Implementing a non-stationary simulation, I am able to predict the lifetime of silicone oil thin films as a function of the generation velocity, which I find in quantitative agreement with experimental data. I then carry out systematic experiments to characterise the drainage of soap films for various generation velocities, environmental humidities and positions in the film. I also demonstrate the influence of dTAB concentration and humidity on film lifetime. Finally, I investigate how surfactant concentration affects the drainage and break-up dynamics of hemispherical soap bubbles at the surface of a liquid pool, which is a system somewhat closer to real foams

Ce travail de thèse analyse l'organisation des films de cristaux liquides nématiques sur substrats liquides (eau et glycérol). Dans ce cas, l'ancrage planaire au niveau du substrat liquide est plus fort que l'ancrage homéotrope à l'interface libre. En dessous d'une épaisseur critique de l'ordre de 0.5-0.6 µm, des stries qui correspondent à une modulation de l'orientation du directeur, apparaissent. La longueur d'onde de ces stries est largement supérieure à l'épaisseur du film. Nous avons analysé la situation spécifique des films très minces et montré qu'une phase striée existait pour des films plats jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 20-40 nm. La pertinence de l'introduction des termes élastiques dits de surface (K24 et K13) dans l'analyse théorique des stries a été discutée. Sur l'eau, les films nématiques coexistent avec une tricouche de molécules dont l'organisation est régie par des interactions à très courte portée avec le substrat. Les gradients d'épaisseur présents en bord de film empêchent la formation de stries. Des mesures statiques et dynamiques de l'énergie d'un bord de film ont été effectuées. Il semble alors que le film nématique puisse accommoder un état distordu grâce à la formation de stries bien en dessous de l'épaisseur critique de transition de confinement. Enfin, une étude du processus de coalescence contrôlée par la tension de ligne a permis de mettre en évidence deux régimes de dissipation : aux temps courts la dissipation s'effectue en surface alors qu'aux temps longs, la dissipation se fait principalement dans la sous-phase. Une analyse en loi d'échelle permet de rendre compte de la dynamique observée expérimentalement.

Nous présentons des résultats sur la dynamique des interfaces liquides à différentes échelles. Dans la première partie, nous étudions des systèmes liquides confinés dans le cadre de l'approximation de lubrification. Nous obtenons des résultats analytiques et numériques intéressants sur l'équation des films minces qui régit la dynamique de tels systèmes. Les résultats théoriques sont confrontés avec succès à des experiences de microscopie à force atomique sur des films minces de polymères dans différentes géométries. Nous explorons la physique qui résulte des effets inhérents à la nature des matériaux polymères tels que la viscoélasticité, le glissement aux parois ou encore la dynamique au voisinage de la température de transition vitreuse. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons au sillage engendré par le mouvement d'une perturbation à l'interface liquide-air. Motivés par des résultats expérimentaux qui semblent remettre en question la théorie de Kelvin sur le sillage des bateaux, nous montrons que deux angles peuvent être distingués dans le sillage. L'angle que forment les bords du domaine est bien constant, conformément à la théorie de Kelvin, alors que l'angle que décrivent les vagues de plus forte amplitude décroit avec le nombre de Froude. Nous nous penchons également sur les ondes gravito-capillaires et portons un intérêt particulier aux effets de taille finie sur la résistance de vague. Les deux parties peuvent être abordées de manière indépendante
We present results on the dynamics of liquid interfaces at different scales. In the first part, we study confined liquid systems within the lubrication approximation. We obtain interesting analytical and numerical results on the thin-film equation governing the dynamics of such systems. The theory is successfully confronted to atomic force microscopy experiments on thin polymer films in different geometries. We explore the physics resulting from the intrinsic properties of polymeric materials such as viscoelasticity, slip at the solid- liquid interface as well as the dynamics near the glass transition temperature. In the second part, we tackle the problem of the wake generated by a moving disturbance at the air-water interface. Motivated by experimental results that seem to challenge Kelvin’s century old theory of ship waves, we show that two angles can be distinguished in the wake. The angle delimiting the wake is constant, consistent with Lord Kelvin’s theory, while the angle corresponding to the highest waves decreases as the Froude number is increased. We examine as well the case of capillary-gravity waves and focus in particular on the finite size effects on the wave drag. Both parts can be addressed independently

Ce travail présente une étude expérimentale de la structure de films smectiques minces frustrés sur un substrat monocristallin. Les épaisseurs étudiées vont de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de couches smectiques. L'étude est menée sur le système modèle 8CB/MoS2 en combinant quatre techniques expérimentales différentes permettant d'explorer la structure des couches à tous les niveaux du film. Nous serons alors capables d'étudier les défauts habituels de la phase smectique dans une géométrie simplifiée par l'ordre imposé via la surface du substrat. La combinaison de la microscopie à effet tunnel (STM) et de la diffraction x sous incidence rasante (GIXD) a permis de s'intéresser au phénomène de physisorption de molécules organiques sur une surface cristalline et plus précisément de déterminer la structure des premières molécules adsorbées sur la surface de MoS2. Nous interprétons nos résultats à l'aide d'un modèle de champ moyen unidimensionnel mettant en évidence la complexité du potentiel molécule-substrat. Dans un deuxième temps, en combinant la microscopie optique et la GIXD, nous avons étudié comment un substrat plat comme le MoS2 impose un ancrage planaire unidirectionnel des phases smectique A et nématique d'un film de 8CB déposé dessus. Nous avons déterminé les six directions d'ancrage des couches smectiques par rapport aux directions cristallographiques de la surface du MoS2. A l'aide de modèles déjà existants, nous avons alors interprété nos résultats et mis en évidence l'influence de la structure adsorbée sur les caractéristiques d'ancrage. La structure du film frustré par deux ancrages antagonistes a été étudiée par diffraction x, microscopie optique et microscopie à force atomique en mode Tapping. Pour les films d'épaisseur supérieure à 0,1 mm, les couches smectiques s'empilent de façon concentrique à l'intérieur de réseaux périodiques formés d'hémicylindres aplatis. L'étude en fonction de l'épaisseur a révélé l'existence d'un seuil élastique situé entre 700 et 900 Å, en dessous duquel une structure discontinue en parois de dislocations s'installe pour éviter toute courbure prohibitive des couches. Nous avcons démontré la nature asymétrique de ces parois associées à une très grande densité de dislocations. Cette étude a également révélé la présence d'une telle structure discontinue sous les hémicylindres aplatis et a permis de comprendre l'évolution de ces parois de joint de grain lorsque l'épaisseur totale du film évolue. Il s'agit dans ce cas d'étudier directement la structure interne des défauts du type coniques focales, ici dégénérées à une dimension. Nous avons donc pu donner une description détaillée des différentes structures que forment des films smectiques minces frustrés quand leur épaisseur diminue de 0,4 mm à 0,07 mm
This work presents an experimental study of the structure of thin smectic films frustrated on a single crystal. Film thicknesses are investigated from several hundreds to several tens of smectic layers. We worked on the model system 8CB/MoS2 by combining four different experimental techniques, llowing an exploration of the layers structure everywhere in the film. We demonstrate we are able to study sual defects of the smectic phase in a simplified geometry because of the order imposed via the substrate's surface. Combination of Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Grazing Incidence X-ray effraction (GIXD) permit to take interest to the physisorption of organic molecules on a crystalline surface and more precisely to determine the fine structure of the first 8CB adsorbed molecules on MoS2 surface. We interpret our results through a1D mean field model leading to a complex molecule-substrate. In a second time, by combining Optical Microscopy (MO) and GIXD we studied the unidirectionnal planar anchoring of the smectic A and nematic phases imposed by the flat surface of MoS2. We have determined six different anchoring directions for the perpendicularly anchored smectic layers with respect to the main crystallographic directions of MoS2. With models existing in the litterature, we have then interpreted our results and evidenced the strong link between the adsorbed structure and the anchoring characteristics. Film's structure frustrated by antagonistic anchorings was investigated by combination of MO, GIXD and Atomic Force Microscopy (AFM) in the Tapping mode. For thickness higher than 0,1 mm, smectic layers are stacked concentrically into periodic networks formed by flattened hemicylindrical structures. We have evidenced the existence of an elastic threshold located between 700 and 900 Å, below which a discontinous structure with dislocation walls exists in order to avoid any prohibitive curvature of smectic layers. We have demonstrated the asymmetric nature of the walls associated to a high dislocation density. Thickness evolution has revealed also the presence of such a discontinous structure under the flattened Hemicylindrical structures and permit to understand the defect evolution when film's thickness varies. We have then studied straightforward the internal structure of focal conics, which here are 1D degenerated

La compréhension de la stabilisation des mousses impose de prendre en compte les effets liés au confinement des fluides complexes, ainsi que le rôle des propriétés des interfaces. Ces problèmes se retrouvent également dans des domaines qui se développent beaucoup actuellement comme la microfluidique et la nanofluidique. Le confinement et l'influence des tensioactifs sur l'amincissement de films ultra-minces (<100 nm) ont été étudiés sur des systèmes mixtes de tensioactifs et de polyélectrolytes. L'étude expérimentale de ces films ultra-minces à l'aide d'une balance à films, utilisée comme un rhéomètre et couplée à un modèle hydrodynamique a permis d'accéder à la dissipation dans les films à travers une viscosité effective. Celle-ci est plus élevée dans les films plus minces. De plus elle est aussi affectée par la nature des interfaces qui confinent le polyélectrolyte. La formation de films plus épais (10 microns) entraînés sur une plaque solide permet d'isoler le rôle de l'interface. L'utilisation de tensioactifs de solubilités différentes a permis de quantifier une transition dynamique d'épaississement Par ailleurs, dans le cadre d'une collaboration, un modèle hydrodynamique a été développé pour prendre en compte l'effet de la viscosité de surface dans l'épaississement. Nous avons pu caractériser le régime dans lequel la rhéologie interfaciale est régie par la viscosité seule. Ce modèle constitue la première étape yers un modèle prenant en compte la visco-élasticité de surface
Interfacal properties and confinement effects of complex fluids are involved in stabilization of foams. This question is also related to microfluidics and nano-fluidics, which have been developed during recent years. Mixed solutions made of polyelectrolytes and surfactants have been used to study the influence of both confinement and surfactant in ultra-thin films (< 100 nm). Dissipation in these films was probed by a thin film pressure balance as a rheometer combined with a hydrodynamical model. An effective viscosity can be extracted, which is higher for thinner films and affected by the nature of the surfactant. Generation of thicker films (a few microns) by dip coaling of a solid plate enables the separation of the effects of confinement. Several surfactants with different solubilities were used. A dynamic transition of thickening was found and quantitatively explained. Furthermore, in the frame of a collaboration, a hydrodynamic model was developed to take into account surface viscosity in the thickening phenomenon. We could characterize the regime in which interfacial rheology is driven by pure surface viscosity. This model is the first step toward a model taking into account both surface elasticity and surface viscosity

L’objectif de cette étude est de mesurer et de comprendre à l'aide d'un nouvel appareil à forces de surface (SFA), les caractéristiques rhéologiques des premières couches moléculaires de liquides confinés entre deux surfaces solides. Elles régissent les comportements tribologiques tels que la lubrification, l'adhésion. . . Dans un premier temps, nous détectons et nous mesurons l'épaisseur d'une couche de molécules immobiles au voisinage des parois solides a l'aide de mesures électriques et mécaniques. Dans le cas d'alcanes (dodécane, hexadécane) confines ente des surfaces de cobalt (1nm de rugosité), cette couche immobile a une épaisseur d'environ 3 fois la largeur de la molécule. Des familles de produits sont étudiées. Pour des polymères fondus (polyisoprène), l'épaisseur de cette couche immobile est dépendante de la masse moléculaire (Mw). Elle est de 4 fois le rayon de giration (Rg) pour les faibles masses (Mw<5000) et de 2 fois pour les masses les plus élevées. Afin de caractériser mécaniquement cette couche, le dispositif expérimental est utilisé comme un rhéomètre a l'échelle moléculaire. Les polyisoprènes fondus en régime enchevêtrés et non enchevêtrés possèdent un comportement rhéologique indépendant de l'épaisseur de l'interface jusqu'a une distance critique qui correspond à une épaisseur d'environ 20 Rg. Pour des distances plus faibles, les lois volumiques de la viscoélasticité ne sont plus respectées. Aux basses fréquences de sollicitations (10-3 Hz), un second module de plateau est observe. Ce second module de plateau traduit une modification des temps de relaxation à l'échelle moléculaire. L’ensemble des données rhéologiques est interprété pour déterminer les modules élastiques moyens des couches confinées. Ils sont respectivement de 5 MPa et 0,5 MPa pour les polymères non enchevêtrés et enchevêtrés. Des analyses plus détaillées permettent la description de l'organisation moléculaire à l'intérieur de ces couches.

A l'aide a d'un appareil pour la mesure des forces de surface (SFA) et d'un microscope à force atomique en mode "Spectroscopie de Force" (SP-AFM) on a considéré des cristaux liquides (CL) nematiques et smectiques confinés dans une épaisseur nanométrique. On a étudié la stratification induite par le confinement dans un CL lyotrope faiblement biréfringent composé de micelles biaxes, organisées en phases nématiques différentes selon la température: calamitique C, biaxe Bx et discotique D. On a caractérisé la stratification en terme d'épaisseur des couches, d'intensité et de portée de l'ordre induit. On observe des variations entre la phase C et D et des plus grandes déviations du comportement théorique dans la phase D que dans la phase C. Pour des CL fortement biréfringents, la méthode interférométrique utilisée couramment pour mesurer l'épaisseur du film (FECO) n'est plus valable. On a developé des outils numériques, permettant d'identifier la conformation du CL dans l'épaisseur à partir des données FECO. On a utilisé ces données comme point de départ pour interpréter les courbes de force obtenues pour des nématiques biphenyls, sujets à différentes conditions d'ancrage: homéotropes, planaires torsadées et hybrides planaire/homéotrope. Les profils de force sont comparés aux courbes théoriques, incluant l'élasticité du nématique et l'énergie d'ancrage aux parois. L'accord est bon dans le cas planaire, si on considère une énergie d'ancrage particulièrement forte. Pour des ancrages hybrides la force ne suit pas le même type de modèle. On n'observe pas la transition d'ancrage vers un état uniforme, prévue pour les petites épaisseurs. On mesure une forte attraction pour une épaisseur d'environ 100 angstroms, probablement liée aux gradients d'ordre dans le confinement. Avec le SP-AFM on a mesuré l'épaisseur et la compressibilité des couches dans des smectiques A et C*, avec une résolution comparable à d'autres techniques plus spécifiques, mais plus lentes et coûteuses
Using a surface force apparatus (SFA) and an atomic force microscope in "Force Spectroscopy" mode (SP-AFM) we have studied the behaviour under nanometric confinement of nematic and smectic liquid crystals (LC). First, we have considered the confinement-induced layering in a lyotropic LC composed of biaxial micellae, organized in different nematic phases depending on the temperature: calamitic C, biaxial Bx and discotic D. We have characterized the layering in term of the layer thickness and of the strength and the range of the induced order. We observe some variation between the C and D phase. The D-phase deviates more than the C phase from the theoretical behaviour. For strongly birefringent LC, the interferometric method usually employed to measure the film thickness (FECO) is no longer valid. We have developed a numerical approach to identify the LC configuration across the confinement using the FECO data. We have used these data as a starting point to interpretate the force profiles obtained for two nematic biphenyls, subjected to different anchoring conditions: homeotropic, twisted planar and hybrid planar/homeotropic. The force profiles are compared to a model, including the nematic elasticity and the anchoring energy at the surfaces. The agreement is good for the planar samples, if we consider a very high anchoringenergy that is particularly high. For hybrid anchoring conditions, the force does not follow the same kind of model. We do not observe the anchoring transition to a uniform-director configuration, predicted for small thicknesses. We measure a strong attraction for a thickness of about 100 angstroms, probably due to tensor order gradients across the confinement. Using the SP-AFM we have measured the layer thickness and compressibility of two smectic A and C* materials, with a resolution comparable to that of other techniques, more specific but also slower and more expensive

Etude de la formation de couches minces d'acide pelargonique sur ag et sio#2 par spectrometrie raman. L'analyse des spectres donne des informations sur le passage de l'ordre au voisinage de l'interface, au desordre dans la phase liquide

Abstract Diatoms are a group of single-celled photosynthetic algae that use biochemical pathways to bio-mineralize and self-assemble three-dimensional photonic crystals with unique photonic and micro- & nano-fluidic properties. In recent years, diatom biosilica has been used in surface-enhanced Raman scattering (SERS) based optofluidic sensors for detection of a variety of chemical and biological molecules. In this paper, we present a study to develop a microfluidic pumping system using super-hydrophilic diatom thin films. The desire to develop such a system stems from the requirement to create a low-cost, self-powered microfluidic pumping system that can sustain a continuous flow over an extended period of time. The diatom biosilica acts not only as the driving force behind the flow, but also serves as ultra-sensitive SERS substrates that allows for trace detection of various molecules. Liquid is drawn from a reservoir to the tip of a 150μm inner diameter capillary tube positioned directly over the diatom film. A thin and long horizontal reservoir is used to prevent flooding on the diatom film when the liquid is initially drawn to the diatom film through a capillary tube from the reservoir. The connection of the meniscus from the capillary to the film was maintained from a horizontal reservoir for a recorded time of 20 hours and 32 minutes before the partially filled reservoir emptied. Flow rates of 0.38, 0.22 and 0.16μL/min were achieved for square biosilica thin films of 49mm2, 25mm2, and 9mm2 at a temperature of 63°F and 45% relative humidity respectively. A temperature-controlled system was introduced for the 49mm2 substrate and flow rates of 0.60, 0.82, 0.93, and 1.15μL/min were observed at 72, 77, 86, and 95°F at 21% relative humidity respectively. More testing and analysis will be performed to test the operation limits of the proposed self-powered microfluidic system.

<div class="section abstract"><div class="htmlview paragraph">The proposed Euro 7 regulation aims to substantially reduce the <i>NO_x</i> emissions to 0.03 g/km, a trend also seen in upcoming China 6b and US EPA regulations. Meeting these stringent requirements necessitates advancements in Urea/Selective Catalytic Reduction (SCR) aftertreatment systems, with the urea deposit formation being a key challenge to its design. It’s proven that Computational Fluid Dynamics (CFD) can be an effective tool to predict Urea deposits. Transient wall temperature prediction is crucial in Urea deposit modeling. Additionally, fully understanding the kinetics of urea decomposition and by-products solidification are also critical in predicting the deposit amount and its location. In this study, we introduce (i) a novel film boiling model (IFPEN-BRT model) and (ii) a new urea by-product solidification model in the CONVERGE CFD commercial solver, and validate the results against the recent experiments. The IFPEN-BRT model handles the spray-wall heat transfer in various boiling regimes, and the urea by-product solidification model separates solid deposits from liquid film parcels and renders them inert on the walls. We couple the by-product solidification model with the detailed decomposition model for urea. We use surface morphing feature developed in CONVERGE to enable realistic representation of solid surface topology once the solid deposits are formed on the testing plate. Multiple acceleration schemes have been employed to achieve a faster turnaround time while maintaining high fidelity. Additionally, the fixed flow approach has been used to accelerate the simulation and reach the time scale required for appreciable deposit formation. The simulations, incorporating both the IFPEN-BRT model and the urea by-product solidification model, matches the experiments very well on several fronts: the wall temperature contours, the temporal evolution of wall temperature profiles, and film/deposit patterns. The simulations also correctly predict cyanuric acid (CYA) as the primary solid deposit, aligning with experimental findings after 20 minutes real time simulation.</div></div>

The operation of autonomous, liquid-fueled microboats driven by surface tension effects has been demonstrated, including the possibility of controlled steering. Two types of microboat with surface area of 6 × 11 mm2 have been fabricated by a bulk micromachining process and powered by 0.5μl of isopropanol on top of a pool of water. The first microboat design uses a cellulose film to store liquid-fuel and has been able to operate for 10 minutes with a maximum cruising velocity of 7.5cm/sec. The second microboat design uses a direct fueling system by adding a fuel droplet directly and has been able to cruise for about 30 seconds with a maximum velocity of 15cm/sec. A first-order theoretical model was developed that captures the discharging trend of the liquid-fuel and the surface tension effects. Numerical techniques were employed to find out the velocity profile of the microboat and compared with experimental results. Moreover, an onboard steerer has been added and successfully restrained the motion of the microboat into a desired path. When integrated with other microsystems, microboats could be used for future applications such as marine life observations or military surveillance/reconnaissance missions.

The purpose of this paper is to present a direct digital manufacturing (DDM) process that is an order of magnitude faster than other DDM processes currently available. The developed process is based on a mask-image-projection-based Stereolithography process (MIP-SL), during which a Digital Micromirror Device (DMD) controlled projection light cures and cross-links liquid photopolymer resin. In order to achieve high-speed fabrication, we investigated the bottom-up projection system in the MIP-SL process. A set of techniques including film coating and the combination of two-way linear motions have been developed for the quick spreading of liquid resin into uniform thin layers. The process parameters and related settings to achieve the fabrication speed of a few seconds per layer are presented. Additionally, the hardware, software, and material setups developed for fabricating given three-dimensional (3D) digital models are presented. Experimental studies using the developed testbed have been performed to verify the effectiveness and efficiency of the presented fast MIP-SL process. The test results illustrate that the newly developed process can build a moderately sized part within minutes instead of hours that are typically required.

This project is a continuation of research to enhance dry gas seal (DGS) reliability. Previous work reviewed failures from literature and experience of manufacturers and end-users and identified that liquid contamination was the most common cause, but it was concluded there was insufficient quantitative data to base recommendations on for further DGS reliability enhancements. Therefore, experimental and analytical investigations were pursued to fill the void. The ultimate objective was to be able to predict DGS failures due to liquid contamination, which could lead to greater DGS reliability through improvements in design, instrumentation, and monitoring. The current project phase had objectives with simulations and testing. Simulations were extended to the all other pressure conditions for further validation of the modeling assumptions. The improved simulation methodology was subsequently used to predict a condition that suggests a potential failure mode using a one-way fluid-structure interaction simulation. This resulted in a prediction that a liquid mass fraction of 4% would cause a 50% relative reduction of the seal film clearance, which was the chosen test condition to perform the validation. Testing up to three times this target value was agreed upon as the maximum concentration to perform the testing at a maximum duration of 8 minutes. This would be invoked to test more aggressively in case signs of failure were not observed. PRCI and GMRC co-funded this project.