基于压电原理的微量点胶仿真与实验研究

发布时间：2017-08-01 12:26

  本文关键词：基于压电原理的微量点胶仿真与实验研究

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【摘要】：微点胶技术在微装配系统的生产与组装中占有重要地位。随着超声波加工、电子束加工、激光加工、光刻加工等精微加工方法的快速发展，微小零部件的尺寸越来越小，随之对点胶量的要求也越来越高。现有的商业点胶机的出胶量一般在微升级，有的能达到纳升量级，由于胶体的粘度、细小的喷嘴、较大的表面力等因素，皮升级的微点胶技术是目前研究的热点和挑战。 本文为实现微米级零件的精密装配，设计基于压电原理的微点胶机构，利用压电陶瓷的微位移驱动特性，选取具有合适粘度和表面张力的胶体，使用微喷嘴来实现微量点胶，需要满足胶斑的直径在20μm左右，实现皮升(pL)级点胶量。 首先，综述了点胶技术的国内外研究现状；阐述了基于压电原理的点胶系统整体方案设计及工作原理；分析了压电陶瓷管的性能和毛细管内胶体的运动情况；通过对点胶过程的建模和流体动力中无量纲数的分析，得出影响微点胶过程的因素，包括胶体粘度、表面张力、密度、喷嘴直径、毛细管长度、驱动电压参数等。 其次，在COMSOL中建立了多物理场耦合仿真分析模型，包括压电设备模型、流固耦合模型与两相流模型。通过设置边界条件，进行网格划分，利用压电设备分析了毛细管内壁的变形，得出毛细管内壁变形与所加电压幅值的关系；利用流固耦合模块分析了出口流速，得到管路长度、电压幅值、胶体粘度等参数对出口流速的影响规律；利用两相流模块演示了胶体的挤出过程，，运用多物理场耦合的方法，仿真了胶滴的滴落过程，之后改变喷嘴直径、胶体粘度、表面张力、驱动电压幅值与脉冲宽度等参数，仿真了这些参数对胶滴形成过程的影响；当喷嘴内径20μm时，通过仿真分析得出可分配约20pL的胶体，为后续微点胶实验进行提供参数依据。 最后，搭建了基于压电原理的微点胶实验系统，采用聚四氟乙烯管与可更换点胶头进行了微胶滴的分配实验，以仿真分析为基础，采用不同喷嘴直径、胶体粘度、表面张力及驱动电压的幅值与脉冲宽度等参数，通过实验研究了这些参数对微胶滴分配体积的影响；实验结果表明，胶体粘度小于30mPa·s时，可实现约8pL胶滴的分配，胶体粘度100mPa·s时，可实现约33pL胶滴的分配，能够满足pL级需求。
【关键词】：微点胶 压电驱动 多物理场仿真 皮升级胶斑
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH16
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9
• 1.2 国内外研究现状9-16
• 1.2.1 接触式点胶技术的现状10-11
• 1.2.2 非接触式点胶技术的现状11-16
• 1.2.3 点胶方法国内外研究现状分析16
• 1.3 课题来源16-17
• 1.4 主要研究内容17-18
• 第2章 微点胶系统的方案设计及点胶影响因素分析18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 微点胶系统的整体方案设计18-21
• 2.2.1 基于压电原理的微点胶驱动方式建模18-19
• 2.2.2 基于压电原理微点胶系统总体结构19-20
• 2.2.3 微点胶单元的结构及工作原理20-21
• 2.3 压电陶瓷性能分析21-23
• 2.4 毛细管内胶体运动分析23-24
• 2.5 微点胶影响因素分析24-27
• 2.5.1 点胶过程建模24-26
• 2.5.2 流体动力学中的无量纲数26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 基于压电原理的微量点胶性能仿真分析28-43
• 3.1 引言28
• 3.2 仿真分析模型及条件设置28-32
• 3.2.1 多物理场仿真分析模块的选择28-29
• 3.2.2 多物理场仿真的控制方程29-31
• 3.2.3 边界条件的设置与网格划分31-32
• 3.3 微点胶性能仿真分析32-42
• 3.3.1 压电设备模型32-35
• 3.3.2 流固耦合模型35-39
• 3.3.3 两相流模型39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 基于压电原理的微量点胶性能实验研究43-60
• 4.1 引言43
• 4.2 微点胶实验中关键器件的制备43-46
• 4.2.1 微量点胶末端工具制备43-44
• 4.2.2 疏水不锈钢片喷嘴的制备44-46
• 4.3 基于压电原理微量点胶实验系统的建立46-50
• 4.3.1 点胶模块47-48
• 4.3.2 运动平台模块48-49
• 4.3.3 胶量检测模块49
• 4.3.4 压电陶瓷驱动模块49-50
• 4.4 基于压电原理的微点胶性能实验50-59
• 4.4.1 喷嘴直径对微点胶性能影响的实验研究50-52
• 4.4.2 粘度对微点胶性能影响的实验研究52-54
• 4.4.3 表面张力对微点胶性能影响的实验研究54-55
• 4.4.4 驱动电压对微点胶性能影响的实验研究55-59
• 4.5 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 ;非接触式喷射点胶——未来的点胶技术(英文)[J];半导体技术;2004年03期

2 陈九生;蒋稼欢;;微流控液滴技术:微液滴生成与操控[J];分析化学;2012年08期

本文编号：604247