Das Prinzip und die physikalischen Modelle eines neuartigen Strahlspenders mit Riesenmagnetostriktion und einer Lupe

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 18294 (2016) Diesen Artikel zitieren

3878 Zugriffe

20 Zitate

Details zu den Metriken

Um Spritztechnologien für Leim in LED- und Mikroelektronikgehäusen zu entwickeln, wird zunächst Riesenmagnetostriktivmaterial (GMM) eingesetzt, um die Spritzreaktion zu erhöhen, und ein neues Vergrößerungsgerät mit einem Hebel und einem flexiblen Scharnier soll die Spritzeigenschaften verbessern. Physikalische Modelle des Strahlsystems werden aus der Vergrößerungsstruktur und dem Funktionsprinzip abgeleitet, zu denen ein Schaltkreismodell, ein elektromagnetisches Verschiebungsmodell, ein dynamisches Modell und ein Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell gehören. Das Systemmodell wird durch die Kombination mathematischer Modelle mit Matlab-Simulink erstellt. Die Wirksamkeit des GMM-basierten Spenders wird durch Simulationen und Experimente bestätigt. Die Strahlfrequenz erhöht sich deutlich auf 250 Hz und das dynamische Verhalten der Strahlnadel wird so ausgewertet, dass die Geschwindigkeit und Verschiebung der Strahlnadel 320 mm·s-1 bzw. 0,11 mm erreicht. Mit zunehmendem Fülldruck oder steigender Stromamplitude wird die Punktgröße größer. Die Punktgröße und die Arbeitsfrequenz können einfach angepasst werden.

In den letzten Jahren wurde die Dosiertechnologie, einschließlich Spritzen und kontaktbasiertes Dosieren, in vielen industriellen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, beispielsweise bei der Montage von Mikroelektronik, Optoelektronik und LEDs1,2,3,4,5. Die kontaktbasierte Dosiertechnik kann in drei Typen eingeteilt werden: Zeit-Druck, Rotationsschnecke und positive Verdrängung6. Bei der kontaktbasierten Dosiermethode erfordert die Wiederholbarkeit den gleichen Dosierspalt (den Spalt zwischen der Nadel und dem Substrat oder der Leiterplatte) für jeden Punkt. Um einen derart konstanten Abgabespalt aufrechtzuerhalten, ist ein Positionierungssystem erforderlich, das die Düse während des Abgabevorgangs präzise auf und ab bewegen kann. Dadurch erhöht sich die Zykluszeit und der Prozess wird kompliziert7,8,9,10,11. Um das Problem zu lösen, untersuchten einige Experten eine pneumatische Strahlabgabetechnik, die heute weit verbreitet ist. Allerdings sind pneumatische Strahlspender auf elektromagnetische Ventile mit hoher Frequenz angewiesen. Die Lebensdauer der Elektromagnetventile beträgt nur wenige Monate und der Preis ist hoch. Aus diesen Gründen haben sich einige Experten mit PZT (Pb(ZrxTi1-x)O3 – eine Art piezoelektrische Keramik) beschäftigt und die Spenderforschung vorangetrieben und große Erfolge erzielt12,13. Im Vergleich zu PZT weist GMM eine höhere Energiedichte auf und kann daher eine größere Antriebskraft liefern. GMM wird heutzutage hauptsächlich zur Geräuscherkennung und zum Fahren mit Mikroverdrängung eingesetzt14,15.

Daher wurde diese Arbeit durchgeführt, um einen neuen Spendertyp basierend auf einem GMM-Antrieb zu untersuchen und das Vergrößerungsgerät so zu entwerfen, dass das dynamische Verhalten verbessert wird. Darüber hinaus werden komplexe Modelle und die überlegene Leistung des neuen Systems diskutiert.

Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien, die dazu führt, dass diese während des Magnetisierungsprozesses ihre Form oder Abmessungen ändern16. Das Verlängerungsverhältnis von GMM ist sehr gering. Da die Verschiebung der direkt von der GMM-Stange angetriebenen Nadel nicht groß genug ist, kann der Leim nicht ausgestoßen werden. In diesem Experiment wird ein Hebel mit flexiblem Gelenk zur Vergrößerung der Verschiebung verwendet und das alternative Magnetfeld wird durch eine elektromagnetische Spule angeregt. Wie in Abb. 1 dargestellt, handelt es sich bei Teil 6 um den Hebel mit flexiblem Scharnier, der aus Manganstahl besteht. Ein Ende des Hebels ist an der Schale (Teil 4) befestigt und das andere Ende kann um das flexible Scharnier gedreht werden. Der Hebel ist aufwändig konstruiert, um Kraft zu übertragen und den Weg zu vergrößern.

Neue Struktur des GMM-basierten Strahlspenders.

1-Endkappe, 2-Spule, 3-GMM-Stab, 4-Schale, 5-Übertragungsstange, 6-Hebel mit Scharnier, 7-Einstellmutter, 8-Federvorspannungs-Einstellblock, 9-Feder, 10-Nadel, 11 -Mutter, 12-Düse und 13-Spritze.

Der entworfene Spender umfasst einen magnetostriktiven Aktuator und einen Leiminjektor. Der magnetostriktive Aktor besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse (Teil 4), einer Spule (Teil 2), einem GMM-Stab (Teil 3), einer Endkappe (Teil 1), einem Hebel mit Scharnier (Teil 6) und einer Einstellmutter (Teil 7). ), einen Federvorspannungs-Einstellblock (Teil 8), eine Feder (Teil 9), eine Nadel (Teil 10) und eine Übertragungsstange (Teil 5). Der Leiminjektor enthält eine Düse (Teil 12), eine Spritze (Teil 13) und eine Nadel (Teil 10).

Eine Feder (Teil 9) und das flexible Scharnier (Teil 6) sorgen für die mechanische Vorspannung. Die Steifigkeit der Feder beträgt 24 N/mm. Die Kraftübertragung erfolgt über die Nadel, die Mutter (Teil 7), den Hebel und die Übertragungsstange. Die Mutter dient zur Einstellung der mechanischen Vorspannkraft. Die Feder kann auch dafür sorgen, dass sich die Nadel auf der Düse verdichtet, um zu verhindern, dass Kleber austritt, wenn der Spender nicht funktioniert.

In magnetostriktiven Aktuatoren wird immer ein Vormagnetisierungsfeld für eine präzise Verschiebung verwendet, da es die relative Dehnung des GMM beeinflussen würde. In diesem Experiment ist die Genauigkeit der Verschiebung nicht so wichtig17,18,19. Unter Berücksichtigung der Komplexität, des Volumens und der Masse wurde der Spender der ersten Generation ohne die Spule entwickelt, die zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfelds verwendet wird.

Ein durch die Spule stimuliertes alternatives Magnetfeld (Teil 2) führt dazu, dass sich der GMM-Stab verlängert oder verkürzt. Der Einstellblock (Teil 8) dient zur Einstellung der Federvorspannung. Durch den Druck in der Spritze wird kontinuierlich Klebstoff eingefüllt. Neben den Geometrieparametern des Spenders sind die Spannung an der Spule, der Arbeitskreis des Steuersignals, der Vordruck der Feder, der Vordruck der GMM-Stange und der Druck der Leimzufuhr in der Spritze einstellbare Parameter. Wenn diese Parameter übereinstimmen, kann der Spender stabil arbeiten, andernfalls würde sich der Kleber in der Nähe des Düsenausgangs ansammeln oder der Spender würde nicht funktionieren.

Der Arbeitsablauf des Systems ist wie folgt: Wenn der Strom anliegt, wird die Spule magnetisch und der GMM-Stab in der Spule fährt aus. Der Block auf der GMM-Stange bewegt sich mit der Stange nach oben. Dann dreht sich der Hebel um die Mitte des Scharniers. Mit dem Hebel bewegt sich die Nadel nach oben und gleichzeitig wird die Feder zusammengedrückt. Die Nadel bleibt 3 bis 10 Mikrosekunden lang am höchsten Punkt. Somit bleibt genügend Zeit, damit der Leim in die Kammer der Düse eingefüllt werden kann. Danach verschwindet das Magnetfeld der Spule, da der Strom abgeschaltet wird und der GMM-Stab in den Ausgangszustand zurückkehrt. Die elastische potentielle Energie der Feder wird sofort in kinetische Energie der Nadel umgewandelt. Die Nadel bewegt sich schnell nach unten. Daher führt die Scherung zwischen Nadel und Leim dazu, dass der Leim in der Kammer dünnflüssig wird und fließt. Wenn die Nadel auf die Düse trifft, spritzt ein Klebepunkt aus der Düse und der gesamte Zyklus beginnt von vorne.

Nach dem Arbeitsprinzip lässt sich der Arbeitsprozess in die Füllphase, die Strahlphase und ein Intervall unterteilen. Wenn die Nadel beginnt, sich nach oben zu bewegen, beginnt die Füllphase. Wenn die Nadel beginnt, sich nach unten zu bewegen, beginnt die Sprühphase und gleichzeitig endet die Füllphase. Nach der Strahlphase kommt eine Pause. Die Energieübertragung während des gesamten Prozesses ist in Abb. 2 dargestellt. Die Rechteckwelle wird zur Aktivierung der Spule verwendet. Frequenz, Amplitude und Arbeitskreis der Rechteckwelle können an andere Parameter des Spenders angepasst werden.

Diagramm zur Energieumwandlung.

Um die Abgabeleistung zu bewerten, werden ein Beobachtungssystem und ein Messsystem wie in Abb. 3 dargestellt aufgebaut. Der Kyence-Lasersensor (LK-G80) wird zur Messung der Verschiebung der Nadel verwendet. Die Abtastfrequenz des Sensors kann 50 kHz erreichen und die Genauigkeit kann 0,2 μm erreichen. Durch den Sensor kann die momentane Verschiebung erfasst werden. Die Geschwindigkeit kann durch Lösen der Verschiebungsdifferenz ermittelt werden. Bei der Durchführung von Dosierexperimenten wird eine Hochgeschwindigkeitskamera (Marke: Photron, Modell: FastCAM Sa1.1) verwendet, um den Dosiervorgang aufzuzeichnen.

Experimentelles Bett.

Der neue GMM-basierte Strahlspender integriert elektromechanische und hydraulische Subsysteme. Durch diese Subsysteme werden elektrische Energie, magnetische Energie, potentielle Energie und kinetische Energie umgewandelt und übertragen. Sämtliche Energieschwankungen des Spendersystems werden durch entsprechende Gesetzmäßigkeiten bestimmt. Nach entsprechenden Gesetzmäßigkeiten werden mathematische Modelle aufgestellt. Anschließend wird mit diesen Modellen eine numerische Simulation vorgestellt.

Mit dem Stromkreissystem des Spenders wird Strom in Erregerstrom umgewandelt. Die Verzögerungszeit des Steuerkreises (innerhalb von 100 Nanosekunden) wird bei der Analyse vernachlässigt, da sie sehr kurz ist. Der Einfluss von Temperaturschwankungen wird ebenfalls ignoriert. Nach dem Spannungsgesetz von Kirchhoff lautet die Gleichung des Schaltungssystems wie folgt:

Dabei ist U die Spannung der Spule, I der Strom der Spule, N die Windungszahl der Spule, ϕ(t) der magnetische Fluss und R der Gesamtwiderstand des Stromkreises. Beim Starten ist R der Widerstand der Spule. Beim Freilauf ist R die Summe aus Widerstand der Spule und Freilaufwiderstand.

Die Spule kann Strom in ein Magnetfeld umwandeln. Die Leistung der Spule wurde durch einen Verstärker (LVC5050-Verstärker) angeregt, der durch das Eingangssignal gesteuert wurde.

Die magnetomotorische Kraft (MMF) wurde in der Elektromagnetik definiert als:

Dabei ist N die Windungszahl der Spule und I(t) der Strom.

Unter Berücksichtigung der Wirbelstromeffekte ergibt sich folgende MMF:

Dabei ist Rm die Reluktanz des GMM-Stabs, τ die Wirbelstromzeitkonstante (τ = 0,0005 s) und ϕ(t) der magnetische Fluss.

Wobei LG die Länge des GMM-Stabs ist. A ist die Querschnittsfläche des GMM-Stabs. Mit zunehmender Querschnittsfläche erhöht sich die Tragfähigkeit. μr ist die relative Permeabilität. μ0 ist die Permeabilität des Vakuums.

H(t) ist die magnetische Intensität, die wie folgt berechnet werden kann:

Wobei Sin-Spule die innere zylindrische Oberfläche der Spule ist.

Die GMM-Dehnungs- und Magnetintensitätstabelle ist in Tabelle 1 dargestellt, wenn die Vorspannung 6,0 MPa beträgt (die Daten werden von Taizhou Jiaoguang Rare Earth Material Co., Ltd. bereitgestellt). Eine entsprechende Färbung kann für eine bestimmte magnetische Intensität der Tabelle entnommen werden.

Die Kraft und die Dehnung des GMM-Stabs sind gekoppelt. Mit zunehmender Dehnung nimmt die Kraft ab. Für quasistatische Belastung kann der GMM-Stab als Elastomer vereinfacht werden20. Die Kraft der GMM-Stange wird nach den folgenden Formeln berechnet:

Dabei ist kG die Steifigkeit des GMM-Stabs, xG der Dehnungsindikator des GMM-Stabs, Fb die vom GMM-Stab abgegebene Kraft, bei einer Verschiebung von Null ist ε(H) die magnetische Dehnungsrate des GMM. Ey ist der Jungmodul des GMM-Stabs.

Das Zwangsdiagramm von GMM-Stab, Hebel, Nadel und Feder ist in Abb. 4 dargestellt und die Dynamik des Systems kann in Formel (9) ausgedrückt werden.

Kraftdiagramm.

Dabei ist J das Trägheitsmoment des Systems, C die äquivalente Dämpfung, K der äquivalente Steifigkeitskoeffizient des Systems, M das auf den Hebel einwirkende Drehmoment und θ die Winkelverschiebung.

J, K und M können wie folgt berechnet werden:

Im obigen Beispiel ist mf die Masse des Hebels, mf = 50,6 g, mz ist die Masse der Nadel, mz = 17,6 g, mt ist die Masse der Feder, mt = 3,32 g, mg ist die Masse des GMM Stab, mg = 43,4 g, md ist die Masse des konischen Blocks, md = 10,6 g, kt ist die Steifigkeit der Feder, kt = 20,6 N·mm−1.

Die Dämpfung des Systems besteht aus zwei Teilen: Der erste ist die viskose Dämpfung des Leims an der Nadel; Der andere Teil ist die Dämpfung zwischen dem GMM-Stab, der magnetisch leitenden Dichtung und dem konischen Block. Wenn sich die Nadel in der Düse auf und ab bewegt, kann die Nadel als Zylinder betrachtet werden. Während sich der Zylinder in Flüssigkeit bewegt, kann die viskose Dämpfung der Flüssigkeit auf den Zylinder wie folgt berechnet werden:

Wobei Ce die viskose Dämpfung von Leim ist. d ist der Durchmesser der Nadel (d = 6 mm), μ ist die kinematische Viskosität. d′ ist der Durchmesser des Leimkanals der Düse.

Die Dämpfung zwischen dem GMM-Stab, der magnetisch leitenden Dichtung und dem konischen Block kann wie folgt berechnet werden:

Dabei ist ke die gesamte äquivalente Steifigkeit des Systems, me die gesamte äquivalente Masse des Systems, ωn die Eigenfrequenz und ζ das Dämpfungsverhältnis (ζ = 0,25).

Die äquivalente Dämpfung kann wie folgt ausgedrückt werden:

Gehen Sie davon aus, dass es sich bei dem Kleber im Spender um eine Flüssigkeit nach dem Potenzgesetz handelt. Der Kleber in der Düsenkammer folgt der Kontinuitätsgleichung, der Impulserhaltungsgleichung und der Materialgleichung. Da die zwischen der Nadel und der Düse gebildete Kammer axialsymmetrisch ist, lautet die Kontrollgleichung in Zylinderkoordinaten des Leims in der Kammer wie folgt:

Dabei ist vr die radiale Komponente der Leimströmungsgeschwindigkeit, vz die axiale Komponente der Leimströmungsgeschwindigkeit, p der Druck in der Spritze, μ0 die Nennviskosität, n der Leistungsindex der Potenzgesetzflüssigkeit, D = (I2)1/2 , I2 kann wie folgt berechnet werden:

Leim in der Düsenkammer fließt, wenn sich die Nadel bewegt. Auf der Grundlage des Arbeitsprinzips kann der Fließvorgang des Leims in die Füllphase und die Spritzphase unterteilt werden, wie in Abb. 5 dargestellt. Der vorgeschlagene Spritzspender ist ein Nadelspender, der durch mechanische Kollision angetrieben wird. Die Flüssigkeitskammer wird durch Luftdruck mit Flüssigkeit gefüllt, dann bewegt sich die durch Antriebskraft angetriebene Nadel nach unten und drückt die sich nach unten bewegende Flüssigkeit. Währenddessen entsteht zwischen Basis und Nadel ein hoher Druck. Durch die Bewegung der Nadel kommt es zu einer Scherverdünnung der Klebstoffe in der Kammer. Durch die Kollision zwischen der Nadel und der Basis wird der Klebstoff abgeschnitten und der hochviskose Klebstoff aus der Düse gespritzt, während der partielle Hochdruck den Maximalwert erreicht.

Der Fließprozess des Leims.

Um den Leimflusszustand während einer Ausstoßperiode zu analysieren, werden die Nadel und die Flüssigkeitskammer als zweidimensionaler achsensymmetrischer Modus vereinfacht, wie in Abb. 6 dargestellt. Der Durchmesser der Düse beträgt d0, der Durchmesser des Nadelkopfes beträgt d1. Der Durchmesser der Flüssigkeitskammer beträgt D, die Verschiebung der Nadelbewegung beträgt Δl.

Das Analysemodell der durch mechanische Kollision angetriebenen Strahlabgabe.

Während der Nadelbewegung erfüllt die Flüssigkeit in Kammer und Düse die Kontinuitätsgleichung und die Navier-Stokes-Gleichung.

Dabei ist V die Fluideinheit, V die Strömungsgeschwindigkeit, ρ die Dichte des Fluids, t die Zeit, F die auf die Ebene S wirkende Kraft und bΦ der Quellterm der Skalarfunktion.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Kammer und der Düse ist gering und der durch den viskosen Widerstand verursachte Effekt ist gering, sodass dieser Prozess mit der Kontinuitätsgleichung der Flüssigkeitsbewegung ohne Viskosität beschrieben werden kann. Die Nadel der periodischen Hin- und Herbewegung wird vereinfacht als halbkreisförmige Grenze dargestellt, deren Durchmesser D und Geschwindigkeit dz/dt beträgt. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Düse und der Flüssigkeitseintritt betragen v1(t) bzw. v0(t). Der Strömungsdruck in der Flüssigkeitskammer beträgt P, daher könnte die Kontinuitätsgleichung wie folgt vereinfacht werden:

Dabei ist A0 die Querschnittsfläche der Düse und A1 der Querschnitt des Nadelkopfes, V das Kammervolumen vor der Nadelbewegung. Der Flüssigkeitsfluss im Loch der Düse unterscheidet sich von dem in der Flüssigkeitskammer. Seine Geschwindigkeit ist größer als bei ersterem, daher ist der viskose Widerstand der Schlüsselfaktor für die Abgabe. Der Flüssigkeitsstrom in der Düse könnte als Hagen-Poiseuille-Strömung im dünnen Rohr angesehen werden. Unter diesen Umständen könnte die Kontinuitätsgleichung automatisch erfüllt werden. Das Konvektionselement der Impulsgleichung ist Null, daher könnte die Navier-Stokes-Gleichung auf der Z-Achse wie folgt vereinfacht werden:

Die Randbedingung der Düsenwand ist Vr = d/2 = 0, daher könnte der Strahlfluss aus der Düse wie folgt geschlossen werden:

Dabei ist ΔP = P − P0, P ist der Innendruck der Düsenkammer, P0 ist der Außendruck der Düsenkammer, wobei dieser Wert dem Atmosphärendruck entspricht. d ist der Durchmesser des Tropfens. Der Innendruck p in der Düsenkammer beeinflusst die Abgabegeschwindigkeit der Flüssigkeit und der Innendruck p wird durch die Bewegung der Nadel und die Extrusion der Flüssigkeitskammer bestimmt. So könnte die Jetting-Dispensing-Simulation entsprechend der Änderung der Bewegungsparameter der Nadel untersucht werden.

Im Strahlstadium bewegt sich die Nadel mit der Geschwindigkeit Vz nach unten. Durch die Nadelbewegung fließt der Leim nach unten. Die Durchflussmenge kann wie folgt berechnet werden:

Wobei QN der Fluss ist, der durch die Nadelbewegung gesteuert wird. AN ist die effektive Fläche der Nadel, die den Druck zwischen dem kugelförmigen Ende der Nadel und der Kegeloberfläche der Düse (Ps) direkt beeinflussen würde. Dann würde AN letztendlich die Punktgröße beeinflussen. QN besteht aus einem Rückfluss aus der Düsenkammer (QB) und einem Abgabedurchfluss aus dem Düsenloch (Qnoz). Wenn sich die Nadel nach unten bewegt, ergibt die Bewegung PS > PA. Dann würde der Kleber zwischen dem kugelförmigen Ende der Nadel und der Kegeloberfläche der Düse zurückfließen. Da das Volumen des Kanals zwischen der Nadel und der Düse klein ist, wird davon ausgegangen, dass der Klebstoff im Kanal inkompressibel ist und dem folgenden konservativen Strömungsgesetz folgt.

Die Strömungsgeschwindigkeit am Austritt der Düse kann wie folgt berechnet werden20:

Dabei ist u (t, ε) die zeitabhängige Strömungsgeschwindigkeit am dimensionslosen Radius ε, der als ε = r/Rnoz definiert ist. Es gibt ein entsprechendes ε für eine Stelle im Düsenauslass. Bei laminarer Strömung ist bei ε = 0 u(t,0) die maximale Geschwindigkeit, u(t, ε) = a(t). Rnoz ist der Radius des Düsenauslasses, der die Punktgröße beeinflussen kann. n ist der Fließverhaltensindex. a(t) ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Düsenauslasses, ermittelt aus der folgenden Gleichung21:

P0 ist der Atmosphärendruck. Lnoz ist die Länge des Düsenauslasses. Lnoz/Rnoz kann den Viskositätsbereich bestimmen, an den sich die Düse anpassen kann. K ist der Konsistenzindex. ρ ist die Dichte des Klebers.

Die Strahldurchflussrate am Auslass der Düse kann wie folgt ausgedrückt werden22:

Der Druckabfall der Rückströmung wird wie folgt ausgedrückt:

Dabei ist PA der Druck im Kanal zwischen der Nadel und der Düse, ΔPce,b der Druckabfall der Rückströmung aufgrund von Strömungskontraktion und -ausdehnung, ΔPns,b der Druckabfall der Rückströmung durch den Ringkanal zwischen der Nadel und die Düse. ΔPce,b und ΔPns,b können wie folgt berechnet werden22,

Dabei ist ζB der lokale Verlustfaktor der Rückströmung aufgrund von Kontraktion und Expansion. CRe ist der empirische Korrekturfaktor des Strömungskontraktions- und Expansionsverlustkoeffizienten, der von der Reynolds-Zahl der Strömung im Kontraktionsabschnitt abhängt. Ls und Rs sind die Länge und der Radius des Kanals zwischen Nadel und Düse. σ ist der dimensionslose Radius der Nadel. RN ist der Radius der Nadel. λ ist der ultimative dimensionslose Radius der Rückströmung, der eine Funktion von n und σ ist. φ ist der Kegelwinkel der Düse. Acon ist die Fläche der Kegeloberfläche zwischen Nadel und Düse, die durch RN und φ bestimmt wird. Acon kann auch die Punktgröße beeinflussen. AAN ist die Querschnittsfläche des Kanals zwischen Nadel und Düse.

Wenn sich die Nadel nach unten bewegt, besteht die vom Leim ausgeübte Kraft aus einer Dämpfungskraft und einem Aufwärtsdruck, der wie folgt ausgedrückt werden kann:

Wobei Fg die Kraft ist, die die Nadel durch Leim ausübt. Fd ist die Dämpfungskraft. Fp ist Aufwärtsdruck. Fd kann wie folgt berechnet werden:

Fp kann wie folgt berechnet werden:

Die numerische Simulation wird mit Matlab-Simulink dargestellt. Das Simulink-Modell besteht aus einem Schaltungsmodell, einem elektromagnetischen Verschiebungsmodell, einem dynamischen Modell und einem Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell. Gehen Sie davon aus, dass der Klebstoff im Spender inkompressibel und kontinuierlich ist und dessen dynamische Eigenschaften dem rheologischen Potenzgesetzmodell folgen. Im Simulink-Modell enthalten die Randbedingungen Spannungswellenformen zur Aktivierung der Spule, Atmosphärendruck und Fülldruck in der Spritze. Die Amplitude der Stromwellenform beträgt 6 A. Die Frequenz der Wellenform beträgt 50 Hz. Der Arbeitskreis der Wellenform beträgt 40 %. Der Atmosphärendruck beträgt 0,1 MPa. Der Fülldruck in der Spritze beträgt 0,25 MPa. Das Diagramm des Systemmodells ist in Abb. 7 dargestellt. Die Parameterliste des Modells ist in Tabelle 2 dargestellt.

Simulationsflussdiagramm.

Das Dosierexperiment wird im Anschluss an die Simulation bei Raumtemperatur durchgeführt. Im Dosierversuch wird die handelsübliche Kieselsäure DC-OE-6336 verwendet. Die A- und B-Komponenten werden im Verhältnis 1:1 gemischt. Die rheologischen Eigenschaften werden mit dem Rheometer getestet und es wird eine Platte mit 60 mm Durchmesser verwendet. Die Viskositäts-Schergeschwindigkeits-Kurve ist in Abb. 8(a) dargestellt, während die Temperatur 25 Grad Celsius beträgt, und die Viskositäts-Temperatur-Kurve ist in Abb. 8(b) dargestellt, während die Schergeschwindigkeit 1000 s−1 beträgt. Es ist offensichtlich, dass die Viskosität des Klebstoffs nicht scherempfindlich ist; Allerdings reagiert es sehr empfindlich auf die Temperatur. Für diese Art von Klebstoffen ist ein Vorwärmteil beim Düsenspender wichtig. Eine Vorwärmkammer mit Strahlverteiler wird in naher Zukunft entworfen und untersucht. Im Gegenteil, die scherempfindlichen Klebstoffe lassen sich bei Raumtemperatur leichter aus dem Spender spritzen. Es gibt auch andere Methoden, um die Viskoelastizität der Klebstoffe zu verringern und so ein reibungsloses Auftragen zu ermöglichen, beispielsweise Ultraschall23.

Rheologische Eigenschaften der Klebstoffe.

(a) ist die Viskosität-Schergeschwindigkeits-Kurve und (b) ist die Viskosität-Temperatur-Kurve.

Abbildung 9(a) zeigt die Verschiebungskurve der Nadel und Abb. 9(b) zeigt die Geschwindigkeitskurve der Nadel. Wie in Abb. 9(a) dargestellt, beträgt die maximale Verschiebung des Simulationsergebnisses und das Messergebnis 0,11 mm. Abbildung 9(b) zeigt, dass bei einer Aufwärtsbewegung der Nadel die maximale simulierte Geschwindigkeit 370 mm·s−1 und die maximale gemessene Geschwindigkeit 330 mm·s−1 beträgt; Wenn sich die Nadel nach unten bewegt, beträgt die maximale simulierte Geschwindigkeit 290 mm·s−1 und die maximale gemessene Geschwindigkeit 320 mm·s−1.

Die Verschiebungskurven aus (a) und die Geschwindigkeitskurven aus (b).

Es besteht eine enge Übereinstimmung zwischen den in der Simulation berechneten Nadelverschiebungs- und Geschwindigkeitskurven und den im Experiment beobachteten. Die Übereinstimmung beweist, dass die Simulationsmodelle und die Methode korrekt sind. Wenn sich die Nadel nach oben bewegt und in der Spitzenposition bleibt, fließt der Klebstoff aus der Spritze in die Düsenkammer. Dies ist die Füllphase des Spender-Arbeitsablaufs. Nach der Füllphase bewegt sich die Nadel schnell nach unten. Durch die Nadelbewegung fließt der Klebstoff und der Druck zwischen dem kugelförmigen Ende der Nadel und der Kegeloberfläche der Düse (Ps) erhöht sich. Dann werden einige Klebstoffe ausgespritzt und der Punkt entsteht. Nach einer Pause folgt der nächste Kreis.

Abbildung 10(a) zeigt die Änderung der Abgabedurchflussrate innerhalb eines Kreises, wenn der Strom in der Spule 6 A und der Fülldruck (PA) 0,15 MPa, 0,2 MPa bzw. 0,25 MPa beträgt. Wie in der Abbildung dargestellt, steigt die Dosierflussrate mit zunehmendem PA von 180 nl auf 200 nl. Abbildung 10(b) zeigt die Änderung der Abgabeflussrate innerhalb eines Kreises, wenn PA 0,15 MPa beträgt und der Strom in der Spule 5 A, 6 A bzw. 7 A beträgt. Mit steigendem Strom erhöht sich die Dosierflussrate von 140 nl auf 280 nl. Aus den beiden Abbildungen ist ersichtlich, dass der Einfluss des Stroms auf die Punktgröße im Vergleich zum Fülldruck größer ist. Variationen des Fülldrucks und des Stroms können zu einer Änderung der Punktgröße führen. Die passende Punktgröße kann durch Anpassung des Stroms oder des Fülldrucks eingestellt werden. Der Stromverbrauch des Spenders wird mit steigendem Strom größer. Der Fülldruck ist der bevorzugte Parameter zur Anpassung der Punktgröße. Wenn die Fließgeschwindigkeit in der Mitte des Düsenauslasses einen kritischen Wert erreichen kann, ist zu erwarten, dass der Leimfluss Auftragspunkte bildet. Der kritische Wert wird in anderen Referenzen mit 10 m/s angenommen. Die Durchflussrate pro Kreis am Auslass entspricht nahezu der Punktgröße. Im Dosierexperiment beträgt das Volumen von 10.000 Punkten etwa 3 ml, wenn PA 0,25 MPa beträgt und der Strom 6 A beträgt. Das Volumen eines Punktes beträgt etwa 300 nl.

Qnoz-Kurve verschiedener PA aus (a) und Qnoz-Kurve verschiedener Ströme aus (b).

Ein Zyklus des Punktbildungsprozesses, der mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet wurde, ist in Abb. 11(a) dargestellt. Das erste Bild zeigt den Beginn der Düsenphase. Das zweite Bild zeigt, wie der Kleber herausspritzt und der Hals zum Vorschein kommt. Dann zeigen die Bilder 3, 4 und 5, wie der Radius des Filaments kleiner wird. Das sechste Bild zeigt, dass das Filament abbricht. Das siebte Bild zeigt, wie der Tropfen unten den Punkt bildet und der Rückstoß zur Düse zurückkehrt. Und das letzte Bild zeigt das Ende der Jetting-Phase.

Punktbildungsprozess aus (a) und Ausstrahlen einer Punktmatrix aus (b).

Der 10×10-Punkt-Matrixstrahl des Spenders ist in Abb. 11(b) dargestellt. Die höchste Arbeitsfrequenz dieses Spendertyps kann bis zu 250 Hz erreichen. Das Tastverhältnis des Steuersignals beträgt 50 %. Der Strom in der Spule wird mit einem Oszilloskop gemessen. Der Stromtastkopf des Oszilloskops ist auf 100 mV eingestellt und stellt 1 A dar. Die Stromamplitude beträgt 5,12 A.

Die Simulations- und Versuchsergebnisse belegen, dass der vorgeschlagene GMM-gesteuerte Spender stabil arbeiten und auch die Punktgröße leicht ändern kann. Wenn die Viskosität des Klebers jedoch mehr als 1,5 Pa·s beträgt, zeigt das Dosierexperiment, dass der Spender nicht funktionieren kann. Der vorgeschlagene Spender wird durch GMM angetrieben, daher ist die hohe Frequenz ein wesentlicher Vorteil des neuartigen Spenders. Der Hub der Nadel ist durch GMM begrenzt, so dass es für den vorgeschlagenen Spender schwierig ist, hochviskose Klebstoffe bei Raumtemperatur auszuspritzen.

Der kontaktbasierte Spender kann über einhundert Klebepunkte pro Sekunde abgeben24. Der pneumatische Düsenspender (DJ-2100) von Asymtek kann 100 Punkte pro Sekunde erzeugen25. Die Arbeitsfrequenz von EFD Picodot-Serienspendern mit PZT-Antrieb kann 65 Hz22 erreichen. Im Vergleich zu diesen kommerziellen Ventilen steigert der neue GMM-basierte Jetting-Dispenser die Frequenz deutlich auf 250 Hz.

Der Durchmesser stellt das Volumen des vom neuen Spender abgegebenen Flüssigkeitspunkts dar. Der Punktdurchmesser wird mit der Bildverarbeitungsmethode getestet, wie in Abb. 12 gezeigt, wobei ein Bild einer 2 × 3-Punkte-Matrix dargestellt wird. Zunächst wird das Originalbild in den Speicher geladen. Nach der Bildvergrauung wird das Rauschen durch Gaußsche Filterung reduziert. Anschließend werden Schwellenwertsegmentierung, Konturlinienextraktion und Bereichsfüllung durchgeführt. Schließlich kann der Durchmesser durch Kreisanpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden.

Bildverarbeitungsschritte.

(a) ist das Originalbild, (b) ist Grau, (c) ist Gaußsche Filterung, (d) ist Schwellenwertsegmentierung, (e) ist Bereichsfüllung und (f) ist Konturlinienextraktion, (g) ist Kreis der kleinsten Quadrate passend zu.

Die Auswirkungen des Fülldrucks in der Spritze auf die Punktgröße sind wie folgt. Während der Aktivierungsstrom 6,8 A beträgt, die Ventilöffnungszeit 20 ms beträgt und der Fülldruck auf 0,08 MPa, 0,12 MPa, 0,16 MPa bzw. 0,2 MPa eingestellt wird, wird die Punktgröße getestet. Die Testergebnisse sind in Abbildung 13(a) dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Flüssigkeitspunktgröße mit zunehmendem Fülldruck zunimmt. Mit zunehmendem Fülldruck sammelt sich mehr Flüssigkeit in der Kammer der Düse an, sodass die Punktgröße größer wird.

Variationskurve der Punktgröße.

(a) sind Auswirkungen des Fülldrucks, (b) sind Auswirkungen der Öffnungszeit und (c) sind Auswirkungen des Stroms.

Die Auswirkungen der Ventilöffnungszeit auf die Punktgröße sind wie folgt. Die Ventilöffnungszeit wird durch die Spannungswellenform gesteuert. Während der Fülldruck in der Spritze 0,15 MPa beträgt, beträgt der Aktivierungsstrom 6,8 A und die Öffnungszeit des Ventils ist auf 6 ms, 10 ms, 20 ms, 30 ms, 40 ms, 50 ms bzw. 60 ms eingestellt Die Punktgröße wird getestet. Die Testergebnisse sind in Abb. 13(b) dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Flüssigkeitspunktgröße mit zunehmender Öffnungszeit des Ventils zunimmt. Je länger die Öffnungszeit des Ventils wird, desto mehr Flüssigkeit sammelt sich in der Kammer der Düse an, sodass die Punktgröße größer wird. Während die Öffnungszeit des Ventils 40 ms überschreitet, erhöht sich die Punktgröße nicht, da der Klebstoff innerhalb von 40 ms vollständig in die Düsenkammer gefüllt wurde. Die Trends der Punktgröße stimmen mit den Simulationsergebnissen überein.

Die Auswirkungen des Stroms auf die Punktgröße sind wie folgt. Während der Fülldruck in der Spritze 0,15 MPa beträgt, die Ventilöffnungszeit 20 ms beträgt und der Strom auf 3 A, 3,8 A, 4,6 A, 5,3 A, 6,0 A bzw. 6,8 A eingestellt wird, wird die Punktgröße getestet. Die Testergebnisse sind in Abb. 13(c) dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Flüssigkeitspunktgröße mit zunehmendem Strom zunimmt. Mit zunehmender Stromstärke erhöht sich der Hub der Nadel und die Nadel kann im Strahlstadium mehr kinetische Energie erhalten, sodass die Punktgröße größer wird.

Abbildung 14 zeigt die Durchmesserstreuungen der Klebepunkte. Der Durchmesser gibt das Volumen des Klebepunktes an. Der Durchmesser wird mit der Bildverarbeitungsmethode gemessen. Es werden vier 10 × 10-Punkte-Matrizen gemessen. Der größte Teil des Durchmessers variiert zwischen 1,3 und 1,57 mm. Allerdings haben 4 Punkte (1. Punkt, 101. Punkt, 201. Punkt und 301. Punkt) einen Durchmesser von mehr als 1,57 mm. Das Volumen des ersten Punktstrahls des Spenders nach einem Intervall ist groß. Die Ansammlung von Klebstoffen am Düsenausgang kann zu dem Problem führen. Das Problem wurde bisher noch untersucht. Wenn die 4 Punkte entfernt werden, beträgt die Stichprobenvarianz 0,0062 mm2 und die Durchmesserfehler liegen innerhalb von ±10 %.

Durchmesserstreuungen der Klebepunkte.

Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Strahlspenders wurden beurteilt. Das Jet-Ventil hat bisher über 50 Millionen Mal funktioniert und ist immer noch in Ordnung. Das neue Jet-Ventil erreicht das Niveau des kommerziellen Jet-Ventils.

Der innovative Spritzspender kann durch den Einsatz des hochdichten GMM-Antriebs in Kombination mit der Vergrößerungsstruktur 250 Leimpunkte pro Sekunde abgeben und übertrifft die Spritzfrequenz der anderen Spender. Systemdynamisches Verhalten wird durch Simulation und Messung bewertet. Die maximale Geschwindigkeit der Düsennadel beträgt 330 mm·s−1 (getestet) und die maximale Auslenkung der Düsennadel beträgt 0,11 mm (getestet). Darüber hinaus wird das Simulationsmodell des neuen Systems mithilfe von Matlab-Simulink in Kombination mit einem Schaltungsmodell, einem elektromagnetischen Verschiebungsmodell, einem dynamischen Modell und einem Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell erstellt. Es liefert das theoretische Analysesystem für die Entwicklung des neuen Strahlspenders. Kurz gesagt, der GMM-basierte Spender wird das Prinzip und den technischen Prototyp für Hochleistungsstrahlen liefern.

Zitierweise für diesen Artikel: Zhou, C. et al. Das Prinzip und die physikalischen Modelle eines neuartigen Strahlspenders mit Riesenmagnetostriktion und einer Lupe. Wissenschaft. Rep. 5, 18294; doi: 10.1038/srep18294 (2015).

Chu, Y., Chen, C. & Tsou, C. Ein LED-Verpackungssubstrat auf Siliziumbasis mit einer Inselstruktur für die Formgebung der Phosphorverkapselung. IEEE T. Comp. Pack. Mann. 5, 155–162 (2015).

CAS Google Scholar

Lu, S., Liu, Y., Yao, Y. & Sun, L. Bond-Graph-Modell eines durch einen Piezostack angetriebenen Strahlspenders. Simul. Modell. Üben. Th. 49, 193–202 (2014).

Artikel Google Scholar

Han, H. & Kim, C. Abgabe rheologisch komplexer Flüssigkeiten im Tropfregime. J. Non-Newton. Fluid 213, 57–67 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Koskinen, S., Pykari, L. & Mantysalo, M. Elektrische Leistungscharakterisierung einer tintenstrahlgedruckten flexiblen Schaltung in einer mobilen Anwendung. IEEE T. Comp. Pack. Mann. 3, 1604–1610 (2013).

Google Scholar

Li, HX et al. Ein einfacher modellbasierter Ansatz zur Analyse und Steuerung der Flüssigkeitsabgabe. IEEE-ASME T. Mech. 12, 491–503 (2007).

Artikel Google Scholar

Chang, C., Wu, M. & Wu, C. Einfluss der chemischen Struktur und Scherkraft auf die Morphologie und Eigenschaften von strahlgedruckten schwarzen Mikromustern unter Verwendung von Imid-Epoxid-Bindemitteln. J. Appl. Polym. Wissenschaft. 111, 1391–1399 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, S., Yao, Y., Liu, Y. & Zhao, Y. Entwurf und Experiment eines nadelförmigen, piezostackbetriebenen Strahlspenders basierend auf der Methode der konzentrierten Parameter. J. Adhes. Wissenschaft. Technol. 29, 716–730 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Cook, B., Tehrani, B., Cooper, JR & Tentzeris, M. Mehrschichtiger Tintenstrahldruck von Millimeterwellen-näherungsgespeisten Patch-Arrays auf flexiblen Substraten. IEEE-Antenne. Wirel. Pr. 12, 1351–1354 (2013).

Artikel Google Scholar

Amemiya, I., Nomura, Y., Mori, K. & Yoda, M. LED-Verpackung durch Tintenstrahl-Mikroabscheidung von hochviskosem Harz und Leuchtstoffdispersion. J. Soc. Inf. Anzeige 16, 475–480 (2008).

Artikel Google Scholar

Shu, Z., Jing, Y., Yu, B. & Xiong, B. Modellierung rotierend-schneckengetriebener Ausgabesysteme für Elektronikverpackungen. IEEE T. Comp. Pack. Mann. 4, 1359–65 (2014).

Google Scholar

Hashemi, M. & Chen, X. Theoretische Untersuchung der Leistung des Rotationsschnecken-Flüssigkeitsabgabeprozesses. T kann. Soc. Mech. Ing. 32, 325–331 (2008).

Artikel Google Scholar

Zhang, L., Hu, H. & Cao, Y. Ein berührungsloser Tintenspender für die Würfelmarkierung der Wafererkennung. IEEE T. Comp. Pack. Mann. 1, 1486–1493 (2011).

Google Scholar

Ahamed, MJ, Gubarenko, SI, Ben-Mrad, R. & Sullivan, P. Ein piezobetriebener mikrofluidischer Chip zur Tröpfchenabgabe. J. Mikroelektromech. S. 19, 110–119 (2010).

Artikel Google Scholar

Zhang, Y., Chen, C. & Zhao, L. Lärmklassifizierung basierend auf GMM und AANN. Appl. Mech. Mater. 58–60, 1847–1853 (2012).

Artikel Google Scholar

Lau, H., Liu, K. & Wong, P. Ein neues Design eines intelligenten Gleitlagers basierend auf GMM-Aktuatoren. Ind. Lubr. Tribol. 64, 147–51 (2012).

Artikel Google Scholar

Wang, C., Cheng, X. & An, P. Modellierung und Simulation einer Hochfrequenz-Mikropumpe basierend auf riesigem magnetostriktivem Material (GMM). J. Kohle-Sci. Ing. 16, 206–209 (2010).

Artikel Google Scholar

Sonehara, M., Kamada, H., Iida, S. & Sato, T. Charakterisierung eines abstimmbaren Magnetsensors unter Verwendung des Vormagnetisierungsfelds eines hartmagnetischen Films, der durch ein gepulstes Magnetfeld magnetisiert wird. IEEE T. Magn. 49, 3854–3857 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Vollinger, C., Caspers, F. & Jensen, E. Der Effekt einer magnetischen Vorspannung in zwei Richtungen, die zum Abstimmen eines mit Ferrit beladenen, wiedereintretenden Hohlraums verwendet wird. IEEE T. Nucl. Wissenschaft. 60, 2170–2174 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Zeng, M., Or, S. & Chan, H. Durch Magnetfelder induzierte Spannung und magnetoelektrische Effekte in einem Sandwich-Verbundwerkstoff aus ferromagnetischem Formgedächtnis-Ni-Mn-Ga-Kristall und piezoelektrischem PVDF-Polymer. IEEE T. Ultraschall. Ferr. 57, 2147–2153 (2010).

Artikel Google Scholar

Meng, A., Zhu, J., Kong, M. & He, H. Modellierung von Terfenol-D-voreingenommenen kleinen Hystereseschleifen. IEEE T. Magn. 49, 552–557 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Zhao, YX, Li, HX, Ding, H. & Xiong, YL Integrierte Modellierung eines Zeit-Druck-Flüssigkeitsabgabesystems für die Elektronikfertigung. Int. J. Adv. Hersteller Technol. 26, 1–9 (2005).

Artikel Google Scholar

Wang, L., Du, J., Luo, Z. & Du, X. Entwurf und Experiment eines Strahlspenders, der von einem Piezostack-Aktuator angetrieben wird. IEEE T. Comp. Pack. Mann. 3, 147–156 (2013).

Google Scholar

Chen, Y. et al. Ultraschallunterstützte reibungslose Dosierung von hochviskoelastischem Epoxidharz in mikroelektronischen Verpackungen. Ultraschall. Sonochem., 28, 15–20 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Ren, X., Zhang, Q., Liu, K. & Li, H. Modellierung eines pneumatischen Ventilspenders zum Drucken viskoser Biomaterialien in der additiven Fertigung. Rapid Prototyping J. 20, 434–443 (2014).

Artikel Google Scholar

Lee, S. & Kim, J. Entwicklung und Charakterisierung eines pneumatischen Kartuschenspenders mit integriertem Rückflussstopper. J. Mikromech. Mikroeng. 20, 015011 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde vom National Basic Research Program of China (973-Programm: 2011CB013104) und den Fundamental Research Funds for Central Universities of Central South University (2013zzts034), China, unterstützt.

School of Mechanical and Electrical Engineering und State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha, 410083, China

C. Zhou, JH Li, JA Duan und GL Deng

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

GLD und JAD haben diese Arbeit vorgeschlagen; CZ und JHL führten die Experimente durch; CZ und JHL führten eine Analyse der Daten durch. CZ und JHL haben das Manuskript geschrieben.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Zhou, C., Li, J., Duan, J. et al. Das Prinzip und die physikalischen Modelle eines neuartigen Strahlspenders mit Riesenmagnetostriktion und einer Lupe. Sci Rep 5, 18294 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18294

Zitat herunterladen

Eingegangen: 24. Juni 2015

Angenommen: 16. November 2015

Veröffentlicht: 16. Dezember 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep18294

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Wissenschaftliche Berichte (2021)

Wissenschaftliche Berichte (2019)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.