基于压电原理的微量点胶仿真与实验研究

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。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 微点胶系统的方案设计及点胶影响因素分析

2.1 引言

2.2 微点胶系统的整体方案设计

2.3 压电陶瓷性能分析

2.4 毛细管内胶体运动分析

2.5 微点胶影响因素分析

2.6 本章小结

第3章 基于压电原理的微量点胶性能仿真分析

3.1 引言

3.2 仿真分析模型及条件设置

3.3 微点胶性能仿真分析

3.4 本章小结

第4章 基于压电原理的微量点胶性能实验研究

4.1 引言

4.2 微点胶实验中关键器件的制备

4.3 基于压电原理微量点胶实验系统的建立

4.4 基于压电原理的微点胶性能实验

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢