双撞针式压电驱动热熔胶喷射阀的机理及实验研究

发布时间：2020-11-08 11:18

　　 当下社会,电子信息技术迅猛地发展和人们对消费电子类产品需求的日益增高,使得手机、平板、电脑等智能电子产品日新月异,并向多样化、新颖化、微型化和智能化的方向快速发展。同时,这些智能电子产品内部的元器件也愈发微小,其生产组装工艺也更加精细,特别是大屏幕窄边框等手机组装工艺的出现,对粘接胶线的精细度提出了更高的要求,但同时也需要更高粘度、更佳粘接性能的胶水与之配合。熔融状态的热熔胶属于高粘度胶水,其粘接性能优异,目前在电子封装领域使用的最为广泛。若要完成高粘度热熔胶微滴的喷射成型,点胶领域现有的各类压电喷射阀均必须在高电压的作用下,驱动撞针高速大力地冲击喷嘴,但是高电压往往会产生较大的撞针运动位移,而大位移便会造成喷射的胶点尺寸过大,从而无法满足精密电子元器件粘接与封装的工艺要求。目前,行业内可获得的高粘度热熔胶的最小喷射点径在270μm左右,而250μm是现阶段点胶领域内的专家学者在集中攻克的一个目标。因此本文提出双撞针式压电驱动热熔胶喷射阀,使用双撞针二次撞击的驱动形式进行点胶,使撞针能以更高的速度、更小的位移冲击喷嘴,从而形成更小尺寸的热熔胶微滴的喷射成型,以更加完美地匹配当今时代3C行业电子封装工艺的要求。本文结合了流体力学、材料力学、振动力学和弹性力学等知识对所设计的系统进行分析,并应用Fluent、Matlab、Ansys和Ls-dyna等软件对构建的模型进行仿真分析,最后通过实验对理论进行验证。本文具体的研究工作及研究结果如下:(1)喷射点胶过程的流体力学分析首先确定本文所研究的介质即熔融状态热熔胶的流型及其本构方程;接着,对粘性液滴喷射成型的必要条件进行分析,得到粘性液滴的喷射速度必须大于一定值,才能形成完整的喷射成型,且液滴的喷射速度越大,系统的喷射能力相应地也越强;然后对液滴喷射速度的影响因素进行理论计算并得到相应的数学模型,后又对液滴喷射的体积进行理论计算并得到相应的数学模型,并根据两个数学模型分别定性分析了撞针运动速度对液滴喷射速度的影响,撞针运动位移对液滴喷射体积的影响;最后,应用Fluent软件对液滴喷射过程中,撞针与喷嘴包封区域瞬时压力的变化情况进行仿真分析,并通过仿真研究了撞针运动速度对于液滴喷射速度的影响,撞针运动位移对于液滴喷射重量的影响,并与前文的数学模型进行对比分析,得到的结论一致。这为本文的双撞针二次撞击结构中撞针高冲击速度、小运动位移的设计思路提供了坚实的理论依据。(2)双撞针二次撞击结构的动力学分析首先详细介绍了双撞针式压电驱动热熔胶喷射阀的结构及工作原理,并阐明该结构所具有的优势;接着,通过模块化设计将系统分为驱动子系统和执行子系统,并分别建立振动力学模型,求解两个子系统的传递函数及固有频率,并通过Matlab对两个子系统进行仿真以指导压电叠堆、下撞针、上下撞针回复弹簧的设计和选型;然后,建立双撞针与喷嘴的二次撞击力学模型,运用特征线法和能量守恒定律求解终端(下撞针)的撞击力和撞击速度、输入端(上撞针)的撞击力和撞击速度,并通过定性分析得出,若要终端(下撞针)的撞击速度比输入(上撞针)速度大,即实现速度放大,我们在设计结构时需适当减小下撞针的质量或者减小下撞针回复弹簧的刚度,再或者适当减小下撞针的运动位移;之后,应用Ls-dyna软件对双撞针和喷嘴的二次撞击模型进行动力学仿真,并与前文的理论分析进行比较。在本文选定的参数条件下,仿真得到,当上撞针以0.8m/s的速度冲击下撞针时,撞击瞬间下撞针的速度提升为0.88m/s,因受到胶液阻力和弹簧回复力的作用,最后下撞针撞击喷嘴的速度为0.85m/s,但是实现了速度的放大;上撞针冲击下撞针的撞击力为213N,而下撞针冲击喷嘴的撞击力提升为560N,也实现了撞击力的放大。最后,设计了本装置的温度控制系统,并且应用Ansys软件对系统进行热力学仿真,得到当加热块温度设置为110℃时,加热筒温度设置为100℃时,主管道内胶水流经区域以及喷嘴口胶液待喷射区域的温度均分布在100℃-110℃之间,满足热熔胶保持熔融状态且符合最佳使用性能的温度要求。(3)双撞针式压电驱动热熔胶喷射阀的实验研究首先搭建速度测试实验平台,测得当系统的驱动电压在40V-100V之间时,下撞针的运动速度大于上撞针的运动速度,且二者的速度之差逐渐增大,证明在一定的电压区间内,双撞针结构具有速度放大的作用;然后通过实验测得,下撞针的运动速度越大,系统对于胶液的喷射能力越强,当下撞针的运动速度小于0.32m/s时,胶滴附着在喷嘴口导致“挂胶”,当下撞针的运动速度大于0.32m/s时,液滴才开始喷射成型,但是下撞针的运动速度对于喷射胶量的影响甚微;除此之外,系统喷射胶液的重量随下撞针位移的增加而增加,但撞针位移过大或者过小均会出现“挂胶”现象。实验测得,在40V驱动电压的作用下,选择球头半径为0.75mm的下撞针,选择孔径和内锥角分别为0.1mm和90°的喷嘴,设定下撞针位移为0.1mm时,系统喷射胶液的重量和体积最小,胶重均值为0.01mg,平均直径为234μm,突破了250μm这一点径目标,且喷射的精度在±2.5%以内;除此之外,通过实验验证了由上述最小的热熔胶微滴连成的胶线满足模拟手机边框的粘接力要求;最后,搭建系统的撞击力测试平台,实验测得,当驱动电压为100V,在该电压下的上撞针以0.68m/s的速度撞击下撞针,受到冲击后的下撞针以0.8m/s的速度撞击喷嘴,此时瞬时撞击力约为593N,这与前文的仿真结果接近。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN05
【部分图文】：

吉林大学博士学位论文4图1.1热熔胶涂布机根据不同的粘接与涂布工艺，热熔胶涂布机又需配备不同的涂布机构，如刮涂机构、网纹涂布机构、压延涂布机构。1）刮涂机构图1.2为刮涂机构及通过该机构涂成的胶的样式，常规的热熔胶涂布机在涂布过程中往往会涂胶不均匀，这就需要额外配备刮胶机构，将基材上的热熔胶刮涂均匀。刮涂机构的主体是钢丝刮刀、不锈钢片刮刀、气流刮刀、刮棒等[26-27]。图1.2刮涂机构2）网纹涂布机构图1.3为网纹涂布机构及通过该机构涂成的胶的样式，网纹涂布机构主要利用网纹涂布辊来实施涂布上胶，其涂布量相对准确且涂布均匀。但如果热熔胶的种类和涂布网纹辊确定之后，就很难调整其涂布的胶量，这也是上述网纹涂布辊的应用受到限制的最主要原因。采用网纹辊进行涂胶时，涂布的胶量主要与胶水粘度和网纹辊的凹眼深度有关。凹眼越深，胶水从网纹辊的凹眼转移到基材上的量也越多；反之，凹眼越浅，转移到基材上的量也相应地减校除此之外，胶水粘度过小和过大都不利于胶

吉林大学博士学位论文4图1.1热熔胶涂布机根据不同的粘接与涂布工艺，热熔胶涂布机又需配备不同的涂布机构，如刮涂机构、网纹涂布机构、压延涂布机构。1）刮涂机构图1.2为刮涂机构及通过该机构涂成的胶的样式，常规的热熔胶涂布机在涂布过程中往往会涂胶不均匀，这就需要额外配备刮胶机构，将基材上的热熔胶刮涂均匀。刮涂机构的主体是钢丝刮刀、不锈钢片刮刀、气流刮刀、刮棒等[26-27]。图1.2刮涂机构2）网纹涂布机构图1.3为网纹涂布机构及通过该机构涂成的胶的样式，网纹涂布机构主要利用网纹涂布辊来实施涂布上胶，其涂布量相对准确且涂布均匀。但如果热熔胶的种类和涂布网纹辊确定之后，就很难调整其涂布的胶量，这也是上述网纹涂布辊的应用受到限制的最主要原因。采用网纹辊进行涂胶时，涂布的胶量主要与胶水粘度和网纹辊的凹眼深度有关。凹眼越深，胶水从网纹辊的凹眼转移到基材上的量也越多；反之，凹眼越浅，转移到基材上的量也相应地减校除此之外，胶水粘度过小和过大都不利于胶

吉林大学博士学位论文4图1.1热熔胶涂布机根据不同的粘接与涂布工艺，热熔胶涂布机又需配备不同的涂布机构，如刮涂机构、网纹涂布机构、压延涂布机构。1）刮涂机构图1.2为刮涂机构及通过该机构涂成的胶的样式，常规的热熔胶涂布机在涂布过程中往往会涂胶不均匀，这就需要额外配备刮胶机构，将基材上的热熔胶刮涂均匀。刮涂机构的主体是钢丝刮刀、不锈钢片刮刀、气流刮刀、刮棒等[26-27]。图1.2刮涂机构2）网纹涂布机构图1.3为网纹涂布机构及通过该机构涂成的胶的样式，网纹涂布机构主要利用网纹涂布辊来实施涂布上胶，其涂布量相对准确且涂布均匀。但如果热熔胶的种类和涂布网纹辊确定之后，就很难调整其涂布的胶量，这也是上述网纹涂布辊的应用受到限制的最主要原因。采用网纹辊进行涂胶时，涂布的胶量主要与胶水粘度和网纹辊的凹眼深度有关。凹眼越深，胶水从网纹辊的凹眼转移到基材上的量也越多；反之，凹眼越浅，转移到基材上的量也相应地减校除此之外，胶水粘度过小和过大都不利于胶
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本文编号：2874713