El principio y los modelos físicos del novedoso dispensador de chorro con magnetostrictivo gigante y una lupa.

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 18294 (2016) Citar este artículo

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Para desarrollar tecnologías de inyección de pegamento en envases LED y microelectrónicos, primero se aplica material magnetoestrictivo gigante (GMM) para aumentar la respuesta de inyección y se diseña un nuevo dispositivo de aumento que incluye una palanca y una bisagra flexible para mejorar las características de inyección. Los modelos físicos del sistema de chorro se derivan de la estructura de aumento y el principio de funcionamiento, que involucra el modelo de circuito, el modelo de desplazamiento electromagnético, el modelo dinámico y el modelo de acoplamiento fluido-sólido. El modelo del sistema se establece combinando modelos matemáticos con Matlab-Simulink. La eficacia del dispensador basado en GMM se confirma mediante simulaciones y experimentos. La frecuencia de inyección aumenta significativamente a 250 Hz y se evalúan los comportamientos dinámicos de la aguja de inyección, de modo que la velocidad y el desplazamiento de la aguja de inyección alcanzan 320 mm·s-1 y 0,11 mm respectivamente. Con el aumento de la presión de llenado o la amplitud de la corriente, el tamaño del punto aumentará. El tamaño del punto y la frecuencia de trabajo se pueden ajustar fácilmente.

En los últimos años, la tecnología de dosificación, incluida la dosificación por chorro y por contacto, se ha utilizado ampliamente en muchas aplicaciones industriales, como conjuntos de microelectrónica, optoelectrónica y LED1,2,3,4,5. La técnica de dosificación basada en contacto se puede clasificar en tres tipos: tiempo-presión, tornillo giratorio y desplazamiento positivo6. En el método de dosificación basado en contacto, la repetibilidad requiere el mismo espacio de dosificación (el espacio entre la aguja y el sustrato o PCB) de cada punto. Para mantener un espacio de dispensación tan constante se necesita un sistema de posicionamiento que pueda mover la boquilla hacia arriba y hacia abajo con precisión durante el proceso de dispensación. Así, el tiempo del ciclo aumenta y el proceso se complica7,8,9,10,11. Para resolver el problema, algunos expertos estudiaron una técnica de dispensación por chorro neumático, que se utiliza ampliamente en la actualidad. Sin embargo, los dispensadores de chorro neumático dependen de válvulas electromagnéticas de alta frecuencia. Las válvulas electromagnéticas tienen sólo una vida útil de unos pocos meses y el precio es elevado. Por estas razones, algunos expertos participaron en la investigación de dispensadores de accionamiento PZT (Pb(ZrxTi1-x)O3, un tipo de cerámica piezoeléctrica) y lograron grandes logros12,13. En comparación con el PZT, el GMM tiene una mayor densidad de energía y, por tanto, puede suministrar una mayor fuerza motriz. Actualmente, el GMM se utiliza principalmente para el reconocimiento de sonido y la conducción por microdesplazamiento14,15.

Por lo tanto, este trabajo se llevó a cabo para examinar un nuevo tipo de dispensador basado en el accionamiento GMM y diseñar el dispositivo de aumento para mejorar los comportamientos dinámicos. Además, se analizan modelos complejos y el rendimiento superior del nuevo sistema.

La magnetoestricción es una propiedad de los materiales ferromagnéticos que hace que cambien su forma o dimensiones durante el proceso de magnetización16. La relación de extensión de GMM es muy pequeña. Como el desplazamiento de la aguja impulsada directamente por la varilla GMM no es lo suficientemente grande, el pegamento no puede inyectarse. En este experimento, se utiliza una palanca con bisagra flexible para ampliar el desplazamiento y el campo magnético alternativo fue estimulado por una bobina electromagnética. Como se muestra en la Fig. 1, la parte 6 es la palanca con una bisagra flexible, que está hecha de acero al manganeso. Un extremo de la palanca está fijado al armazón (parte 4) y el otro extremo puede girar alrededor de la bisagra flexible. La palanca está elaboradamente diseñada para transmitir fuerza y ​​magnificar el desplazamiento.

Nueva estructura del dispensador jetting basado en GMM.

1-Tapa de extremo, 2-Bobina, 3-Varilla GMM, 4-Carcasa, 5-Barra de transmisión, 6-Palanca con bisagra, 7-Tuerca de ajuste, 8-Bloque de ajuste de precarga de resorte, 9-Resorte, 10-Aguja, 11 -Tuerca, 12-Boquilla y 13-Jeringa.

El dispensador diseñado incluye un actuador magnetoestrictivo y un inyector de pegamento. El actuador magnetoestrictivo contiene principalmente una carcasa (parte 4), una bobina (parte 2), una varilla GMM (parte 3), una tapa terminal (parte 1), una palanca con bisagra (parte 6), una tuerca de ajuste (parte 7). ), un bloque de ajuste de precarga del resorte (parte 8), un resorte (parte 9), una aguja (parte 10) y una barra de transmisión (parte 5). El inyector de pegamento contiene una boquilla (parte 12), una jeringa (parte 13) y una aguja (parte 10).

Se utilizan un resorte (parte 9) y una bisagra flexible (parte 6) para realizar la polarización mecánica. La rigidez del resorte es de 24 N/mm. La fuerza se transmite a través de la aguja, la tuerca (parte 7), la palanca y la barra de transmisión. La tuerca se utiliza para ajustar la fuerza de polarización mecánica. El resorte también puede hacer que la aguja se compacte en la boquilla para evitar que el pegamento se escape cuando el dispensador no funciona.

El campo magnético polarizado siempre se utiliza en actuadores magnetoestrictivos para desplazamientos de precisión, ya que afectaría el alargamiento relativo del GMM. En este experimento, la precisión del desplazamiento no es tan importante17,18,19. Teniendo en cuenta la complejidad, el volumen y la masa, el dispensador de primera generación está diseñado sin la bobina utilizada para generar un campo magnético polarizado.

El campo magnético alternativo estimulado por la bobina (parte 2) hará que la varilla del GMM se extienda o se acorte. El bloque de ajuste (parte 8) se utiliza para ajustar la precarga del resorte. La presión en la jeringa hace que el pegamento se llene continuamente. Además de los parámetros geométricos del dispensador, el voltaje a través de la bobina, el círculo de trabajo de la señal de control, la presión previa del resorte, la presión previa de la varilla GMM y la presión del suministro de pegamento en la jeringa son parámetros ajustables. Si estos parámetros coinciden, el dispensador puede funcionar de manera constante; de ​​lo contrario, el pegamento se acumularía cerca de la salida de la boquilla o el dispensador no podría funcionar.

El flujo de trabajo del sistema es el siguiente: cuando hay corriente, la bobina se vuelve magnética y la varilla GMM en la bobina se extiende. El bloque de la varilla del GMM se mueve hacia arriba con la varilla. Luego, la palanca gira alrededor del centro de la bisagra. La aguja se mueve hacia arriba con la palanca y el resorte se comprime al mismo tiempo. La aguja permanece en el punto más alto durante 3 a 10 microsegundos. Por tanto, hay tiempo suficiente para que el pegamento se llene en la cámara de la boquilla. Después de eso, el campo magnético de la bobina desaparece cuando se corta la corriente y la varilla GMM vuelve al estado inicial. La energía potencial elástica del resorte se convierte inmediatamente en energía cinética de la aguja. La aguja se mueve hacia abajo rápidamente. Por lo tanto, el corte entre la aguja y el pegamento hace que el pegamento en la cámara se adelgace y fluya. Cuando la aguja golpea la boquilla, un punto de pegamento sale disparado de la boquilla y todo el ciclo comienza de nuevo.

Según el principio de funcionamiento, el proceso de trabajo se puede dividir en etapa de llenado, etapa de inyección y un intervalo. Cuando la aguja comienza a moverse hacia arriba, comienza la etapa de llenado. Cuando la aguja comienza a moverse hacia abajo, comienza la etapa de inyección y finaliza la etapa de llenado al mismo tiempo. Después de la etapa de chorro, llega un intervalo. La transmisión de energía durante todo el proceso se muestra en la Fig. 2. La onda cuadrada se utiliza para activar la bobina. La frecuencia, amplitud y círculo de trabajo de la onda cuadrada se pueden ajustar para que coincidan con otros parámetros del dispensador.

Cuadro de transformación de energía.

Para evaluar el rendimiento de la dispensación, se configuran un sistema de observación y un sistema de medición como se muestra en la Fig. 3. Se utiliza el sensor láser Kyence (LK-G80) para medir el desplazamiento de la aguja. La frecuencia de muestreo del sensor puede alcanzar los 50 kHz y la precisión puede alcanzar los 0,2 μm. Mediante el sensor se puede registrar el desplazamiento instantáneo. La velocidad se puede obtener resolviendo la diferencia de desplazamiento. Cuando se lleva a cabo el experimento de dispensación, se utiliza una cámara de alta velocidad (Marca: Photron, Modelo: FastCAM Sa1.1) para registrar el proceso de dispensación.

Cama experimental.

El nuevo dispensador de chorro basado en GMM integra subsistemas electromecánicos e hidráulicos. A través de estos subsistemas se transforma y transmite energía eléctrica, energía magnética, energía potencial y energía cinética. Toda variación de energía del sistema dispensador está determinada por las leyes correspondientes. Según las leyes correspondientes, se establecen modelos matemáticos. Luego, con estos modelos se presenta una simulación numérica.

La energía se transforma en corriente de excitación con el sistema de circuito del dispensador. El tiempo de retardo del circuito de control (dentro de 100 nanosegundos) se desprecia cuando se analiza, ya que es muy corto. También se ignora el efecto de la variación de temperatura. Según la ley de voltaje de Kirchhoff, la ecuación del sistema de circuito es la siguiente,

Donde U es el voltaje de la bobina, I es la corriente de la bobina, N es el número de vueltas de la bobina, ϕ(t) es el flujo magnético, R es la resistencia total del circuito. Al arrancar, R es la resistencia de la bobina. En marcha libre, R es la suma de la resistencia de la bobina y la resistencia de marcha libre.

La bobina puede transformar la corriente en campo magnético. La potencia de la bobina fue estimulada por un amplificador (amplificador LVC5050), que se controló mediante la señal de entrada.

La fuerza magnetomotriz (MMF) se definió en electromagnetismo como,

Donde N es el número de vueltas de la bobina e I(t) es la corriente.

Teniendo en cuenta los efectos de las corrientes parásitas, el MMF es el siguiente:

Donde Rm es la reluctancia de la varilla GMM, τ es la constante de tiempo de la corriente parásita (τ = 0,0005 s) y ϕ(t) es el flujo magnético.

Donde LG es la longitud de la varilla GMM. A es el área de la sección de la varilla GMM. La capacidad de carga mejorará con el aumento del área seccional. μr es la permeabilidad relativa. μ0 es la permeabilidad del vacío.

H(t) es la intensidad magnética, que se puede calcular de la siguiente manera,

Donde Sin−coil es el área de la superficie cilíndrica interior de la bobina.

La tabla de tensión y intensidad magnética del GMM se muestra en la tabla 1, cuando el pretensado es de 6,0 MPa (los datos los proporciona Taizhou Jiaoguang rare Earth Material Co., Ltd). Para una determinada intensidad magnética se puede obtener de la mesa la tinción correspondiente.

La fuerza y ​​el alargamiento de la varilla GMM están acoplados. La fuerza disminuye cuando aumenta el alargamiento. Para cargas cuasiestáticas, la varilla GMM se puede simplificar como elastómero20. La fuerza de la varilla GMM se calcula mediante las siguientes fórmulas,

Donde kG es la rigidez de la varilla GMM, xG es el indicador de alargamiento de la varilla GMM, Fb es la fuerza de salida de la varilla GMM, cuando el desplazamiento es cero, ε(H) es la tasa de deformación magnética de GMM. Ey es el módulo joven de la varilla GMM.

El diagrama forzado de varilla, palanca, aguja y resorte del GMM se muestra en la Fig. 4 y la dinámica del sistema se puede expresar en la fórmula (9).

Diagrama de fuerza.

Donde J es el momento de inercia del sistema, C es la amortiguación equivalente, K es el coeficiente de rigidez equivalente del sistema, M es el par sufrido por la palanca y θ es el desplazamiento angular.

J, K y M se pueden calcular de la siguiente manera,

En lo anterior, mf es la masa de la palanca, mf = 50,6 g, mz es la masa de la aguja, mz = 17,6 g, mt es la masa del resorte, mt = 3,32 g, mg es la masa del GMM varilla, mg = 43,4 g, md es la masa del bloque cónico, md = 10,6 g, kt es la rigidez del resorte, kt = 20,6 N•mm−1.

La amortiguación del sistema incluye dos partes: la primera es la amortiguación viscosa del pegamento a la aguja; la otra parte amortigua entre la varilla GMM, la junta conductora magnética y el bloque cónico. Cuando la aguja se mueve hacia arriba y hacia abajo en la boquilla, la aguja puede considerarse como un cilindro. Mientras el cilindro se mueve en fluido, la amortiguación viscosa del fluido al cilindro se puede calcular de la siguiente manera:

Donde Ce es la amortiguación viscosa del pegamento. d es el diámetro de la aguja (d = 6 mm), μ es la viscosidad cinemática. d′ es el diámetro del canal de cola de la boquilla.

La amortiguación entre la varilla GMM, la junta conductora magnética y el bloque cónico se puede calcular de la siguiente manera:

Donde ke es la rigidez equivalente total del sistema, me es la masa equivalente total del sistema, ωn es la frecuencia natural y ζ es la relación de amortiguamiento (ζ = 0,25).

La amortiguación equivalente se puede expresar de la siguiente manera,

Suponga que el pegamento en el dispensador es un fluido de ley potencial. El pegamento en la cámara de la boquilla sigue la ecuación de continuidad, la ecuación de conservación del momento y la ecuación constitutiva. Como la cámara formada entre la aguja y la boquilla es de simetría axial, la ecuación de control en coordenadas cilíndricas del pegamento en la cámara es la siguiente:

Donde vr es el componente radial de la velocidad del flujo del pegamento, vz es el componente axial de la velocidad del flujo del pegamento, p es la presión en la jeringa, μ0 es la viscosidad nominal, n es el índice de potencia del fluido de ley de potencia, D = (I2)1/2 , I2 se puede calcular de la siguiente manera,

El pegamento en la cámara de la boquilla fluye cuando se mueve la aguja. Sobre la base del principio de trabajo, el proceso de flujo del pegamento se puede dividir en etapa de llenado y etapa de inyección, como se muestra en la Fig. 5. El dispensador de inyección propuesto es del tipo aguja, que se acciona mediante colisión mecánica. La cámara de fluido se llena con líquido impulsado por la presión del aire, luego la aguja impulsada por la fuerza impulsora se mueve hacia abajo y oprime el fluido que se mueve hacia abajo. Mientras tanto, se forma una alta presión entre la base y la aguja. El movimiento de la aguja hace que los adhesivos en la cámara se adelgacen. La colisión entre la aguja y la base corta el pegamento y hace que los adhesivos de alta viscosidad salgan disparados de la boquilla mientras la alta presión parcial alcanza el valor máximo.

El proceso fluido del pegamento.

Para analizar la condición del flujo de pegamento en un período de inyección, la aguja y la cámara de fluido se simplifican como un modo axisimétrico bidimensional como se muestra en la Fig. 6. El diámetro de la boquilla es d0, el diámetro de la cabeza de la aguja es d1, el diámetro de la cámara de fluido es D, el desplazamiento del movimiento de la aguja es Δl.

El modelo de análisis de la dispensación por chorro impulsada por colisión mecánica.

Durante el movimiento de la aguja, el fluido en la cámara y la boquilla satisface la ecuación de continuidad y la ecuación de Navier-Stokes.

Donde V es la unidad del fluido, V es la velocidad del flujo, ρ es la densidad del fluido, t es el tiempo, F es la fuerza que actúa sobre el plano S, bΦ es el término fuente de la función escalar.

La velocidad del flujo del fluido en la cámara y la boquilla es baja y el efecto causado por la resistencia viscosa es pequeño, por lo que la ecuación de continuidad del movimiento del fluido sin viscosidad podría describirse en este proceso. La aguja del movimiento alternativo periódico se simplifica como un borde de semicírculo, cuyo diámetro es D y velocidad es dz/dt, la velocidad del flujo en la boquilla y la entrada de fluido es v1(t) y v0(t) respectivamente. La presión de flujo en la cámara de fluido es P, por lo que la ecuación de continuidad podría simplificarse como,

Donde A0 es el área de la sección transversal de la boquilla y A1 es la sección transversal del cabezal de la aguja, V es el volumen de la cámara antes del movimiento de la aguja. El flujo de fluido en el orificio de la boquilla difiere del flujo de fluido en la cámara de fluido. Su velocidad es mayor que la anterior, por lo que la resistencia viscosa es el factor clave que afecta la dosificación. El flujo de fluido en la boquilla podría verse como un flujo de Hagen-Poiseuille en la tubería delgada. La ecuación de continuidad podría satisfacerse automáticamente en esta circunstancia. El elemento de convección de la ecuación del momento es cero, por lo que la ecuación de Navier-Stokes en el eje Z podría simplificarse como:

La condición límite de la pared de la boquilla es Vr = d/2 = 0, por lo que el flujo de inyección que sale de la boquilla podría concluirse como:

Donde ΔP = P − P0, P es la presión interna de la cámara de la boquilla, P0 es la presión externa de la cámara de la boquilla, cuyo valor es igual a la presión atmosférica. d es el diámetro de la gota. La presión interna p en la cámara de la boquilla afecta la velocidad de dispensación del fluido y la presión interna p está determinada por el movimiento de la aguja y la extrusión de la cámara de fluido. Por lo tanto, la simulación de dispensación por chorro podría investigarse de acuerdo con el cambio de los parámetros de movimiento de la aguja.

En la etapa de inyección, la aguja se mueve hacia abajo a una velocidad Vz. El movimiento de la aguja hace que el pegamento fluya hacia abajo. El caudal se puede calcular de la siguiente manera:

Donde QN es el flujo conducido por el movimiento de la aguja. AN es el área efectiva de la aguja, que afectaría directamente la presión entre el extremo esférico de la aguja y la superficie cónica de la boquilla (Ps). Entonces, AN finalmente afectaría el tamaño del punto. QN consiste en el flujo de reflujo de la cámara de la boquilla (QB) y el caudal de dispensación desde el orificio de la boquilla (Qnoz). Cuando la aguja se mueve hacia abajo, el movimiento hace PS > PA. Luego, el pegamento entre el extremo en forma de bola de la aguja y la superficie cónica de la boquilla fluiría hacia atrás. Debido a que el volumen del conducto entre la aguja y la boquilla es pequeño, se supone que el pegamento en el conducto es incompresible y sigue la siguiente ley conservadora del flujo.

La velocidad del flujo a la salida de la boquilla se puede calcular de la siguiente manera20,

Donde u (t, ε) es la velocidad del flujo dependiente del tiempo en el radio adimensional ε, que se define como ε = r/Rnoz. Existe una ε correspondiente a una ubicación en la salida de la boquilla. En flujo laminar, cuando ε = 0, u(t,0) es la velocidad máxima, u(t, ε) = a(t). Rnoz es el radio de salida de la boquilla, que puede afectar el tamaño del punto. n es el índice de comportamiento del flujo. a(t) es la velocidad del flujo en el centro de la salida de la boquilla, obtenida de la siguiente ecuación21,

P0 es la presión atmosférica. Lnoz es la longitud de la salida de la boquilla, Lnoz/Rnoz puede determinar el rango de viscosidad al que se puede adaptar la boquilla. K es el índice de consistencia. ρ es la densidad del pegamento.

El caudal de chorro a la salida de la boquilla se puede expresar de la siguiente manera22,

La caída de presión del contraflujo se expresa de la siguiente manera,

Donde PA es la presión en el conducto entre la aguja y la boquilla, ΔPce,b es la caída de presión del contraflujo debido a la contracción y expansión del flujo, ΔPns,b es la caída de presión del contraflujo a través del conducto anular entre la aguja y la boquilla. ΔPce,b y ΔPns,b se pueden calcular de la siguiente manera22,

Donde ζB es el factor de pérdida local del reflujo debido a la contracción y expansión. CRe es el factor de corrección empírico del coeficiente de pérdida de expansión y contracción del flujo, que depende del número de Reynolds del flujo en la sección de contracción. Ls y Rs son la longitud y el radio del conducto entre la aguja y la boquilla. σ es el radio adimensional de la aguja. RN es el radio de la aguja. λ es el radio último adimensional del contraflujo, que es función de n y σ. φ es el ángulo del cono de la boquilla. Acon es el área de la superficie del cono entre la aguja y la boquilla, que está determinada por RN y φ. Acon también puede afectar el tamaño de los puntos. AAN es el área de la sección transversal del conducto entre la aguja y la boquilla.

Cuando la aguja se mueve hacia abajo, la fuerza que soporta del pegamento consiste en la fuerza de amortiguación y la presión hacia arriba, que se puede expresar de la siguiente manera:

Donde Fg es la fuerza que soporta la aguja debido al pegamento. Fd es la fuerza amortiguadora. Fp es presión ascendente. Fd se puede calcular de la siguiente manera:

Fp se puede calcular de la siguiente manera,

La simulación numérica se presenta con Matlab-Simulink. El modelo de Simulink consta de un modelo de circuito, un modelo de desplazamiento electromagnético, un modelo dinámico y un modelo de acoplamiento fluido-sólido. Supongamos que el pegamento en el dispensador es incompresible y continuo, cuyas características dinámicas siguen el modelo de ley de potencia reológica. En el modelo de Simulink, las condiciones de contorno contienen la forma de onda de voltaje utilizada para activar la bobina, la presión atmosférica y la presión de llenado en la jeringa. La amplitud de la forma de onda actual es de 6 A. La frecuencia de la forma de onda es de 50 Hz. El círculo de trabajo de la forma de onda es del 40%. La presión atmosférica es de 0,1 MPa. La presión de llenado en la jeringa es de 0,25 MPa. El gráfico del modelo del sistema se muestra en la Fig. 7. La lista de parámetros del modelo se presenta como se muestra en la Tabla 2.

Diagrama de flujo de simulación.

El experimento de dispensación se lleva a cabo a temperatura ambiente, siguiendo la simulación. En el experimento de dispensación se utiliza la sílice comercial DC-OE-6336. Los componentes A y B se mezclan en la proporción de 1:1. Las propiedades reológicas se prueban mediante el reómetro y se utiliza la placa de 60 mm de diámetro. La curva de viscosidad-tasa de corte se presenta en la Fig. 8(a), mientras que la temperatura es de 25 grados Celsius y la curva de viscosidad-temperatura se presenta en la Fig. 8(b), mientras que la velocidad de corte es de 1000 s-1. Es obvio que la viscosidad del adhesivo no es sensible al cizallamiento; sin embargo es muy sensible a la temperatura. Para este tipo de adhesivos es importante una parte de precalentamiento con el dispensador de chorro. En un futuro próximo se diseñará y examinará una cámara de precalentamiento acompañada de un dispensador de chorro. Por el contrario, los adhesivos sensibles al corte podrían ser expulsados ​​más fácilmente por el dispensador a temperatura ambiente. También existen otros métodos para reducir la viscoelasticidad de los adhesivos para una dosificación suave, por ejemplo, ultrasonido23.

Propiedades reológicas de los adhesivos.

(a) es la curva de viscosidad-tasa de corte y (b) es la curva de viscosidad-temperatura.

La Figura 9(a) muestra la curva de desplazamiento de la aguja y la Figura 9(b) muestra la curva de velocidad de la aguja. Como se muestra en la Fig. 9 (a), el desplazamiento máximo del resultado de la simulación es y el resultado de la medición es de 0,11 mm. La Figura 9(b) indica que cuando la aguja se mueve hacia arriba, la velocidad máxima simulada es 370 mm·s-1 y la velocidad máxima medida es 330 mm·s-1; Cuando la aguja se mueve hacia abajo, la velocidad máxima simulada es 290 mm·s-1 y la velocidad máxima medida es 320 mm·s-1.

El desplazamiento se curva desde (a) y la velocidad se curva desde (b).

Existe una estrecha correspondencia entre las curvas de desplazamiento y velocidad de la aguja calculadas en la simulación y las observadas en el experimento. La correspondencia demuestra que los modelos de simulación y el método son correctos. Cuando la aguja sube y se mantiene en la posición máxima, el pegamento en la jeringa fluye hacia la cámara de la boquilla. Esta es la etapa de llenado del flujo de trabajo del dispensador. Después de la etapa de llenado, la aguja desciende rápidamente. El movimiento de la aguja hace que los adhesivos fluyan y aumente la presión entre el extremo con forma de bola de la aguja y la superficie cónica de la boquilla (Ps). Luego se expulsan algunos adhesivos y se forma el punto. Después de un intervalo sigue el siguiente círculo.

La Figura 10 (a) presenta la alteración del caudal de dispensación dentro de un círculo, cuando la corriente en la bobina es de 6 A y la presión de llenado (PA) es de 0,15 MPa, 0,2 MPa y 0,25 MPa respectivamente. Como se muestra en la figura, el caudal de dispensación aumenta de 180 nl a 200 nl a medida que aumenta la PA. La Figura 10(b) muestra la alteración del caudal de dispensación dentro de un círculo, cuando PA es 0,15 MPa y la corriente en la bobina es 5A, 6A y 7A respectivamente. El caudal de dispensación aumenta de 140 nl a 280 nl a medida que aumenta la corriente. De las dos figuras, es obvio que el efecto de la corriente sobre el tamaño del punto es mayor, en comparación con la presión de llenado. La variación de la presión de llenado y la corriente puede provocar un cambio en el tamaño del punto. El tamaño de punto adecuado se puede obtener ajustando la corriente o la presión de llenado. El consumo de energía del dispensador aumentará a medida que aumente la corriente. La presión de llenado es el parámetro preferido para ajustar el tamaño del punto. Si la velocidad del flujo en el centro de la salida de la boquilla puede alcanzar un valor crítico, se espera que el flujo de pegamento forme puntos de dispensación. El valor crítico en otras referencias se considera 10 m/s. El caudal por círculo en la salida es casi igual al tamaño del punto. En el experimento de dispensación, el volumen de 10 mil puntos es de aproximadamente 3 ml, cuando el PA es de 0,25 MPa y la corriente es de 6 A. El volumen de un punto es de unos 300 nl.

Curva Qnoz de diferente PA de (a) y curva Qnoz de diferente corriente de (b).

En la Fig. 11 (a) se ilustra un ciclo del proceso de formación de puntos registrado con una cámara de alta velocidad. La primera imagen es el comienzo de la etapa de jetting. A continuación, la segunda imagen muestra que el pegamento sale y aparece el cuello. Luego, las imágenes 3, 4 y 5 muestran que el radio del filamento se hace más pequeño. La sexta imagen muestra que el filamento se rompe. La séptima imagen muestra que la gota en la parte inferior forma el punto y el retroceso regresa a la boquilla. Y la última imagen presenta el final de la etapa de jetting.

Proceso de formación de puntos de (a) y inyección de matriz de puntos de (b).

El chorro de matriz de 10 × 10 puntos del dispensador se muestra en la Fig. 11 (b). La frecuencia de trabajo más alta de este tipo de dispensadores puede alcanzar hasta 250 Hz. El círculo de trabajo de la señal de control es del 50%. La corriente en la bobina se mide con un osciloscopio. La sonda de corriente del osciloscopio está configurada en 100 mV y presenta 1 A. La amplitud de corriente es de 5,12 A.

Los resultados de la simulación y el experimento demuestran que el dispensador propuesto impulsado por GMM puede funcionar de manera constante y también cambiar fácilmente el tamaño del punto. Sin embargo, si la viscosidad del pegamento es superior a 1,5 Pa•s, el experimento de dispensación muestra que el dispensador no puede funcionar. El dispensador propuesto es accionado por GMM, por lo que la alta frecuencia es una ventaja significativa del novedoso dispensador. El recorrido de la aguja está limitado por el GMM, por lo que resulta difícil para el dispensador propuesto inyectar adhesivos de alta viscosidad a temperatura ambiente.

El dispensador por contacto puede suministrar más de cien puntos de pegamento por segundo24. El dispensador de chorro neumático (DJ-2100) de Asymtek puede funcionar con 100 puntos por segundo25. La frecuencia de trabajo de los dosificadores de serie EFD Picodot accionados con PZT puede alcanzar los 65 Hz22. En comparación con estas válvulas comerciales, el nuevo dispensador de chorro basado en GMM aumenta significativamente a 250 Hz.

El diámetro representa el volumen del punto de fluido entregado por el nuevo dispensador. El diámetro del punto se prueba con el método de procesamiento de imágenes como se muestra en la Fig. 12, donde se presenta una imagen de una matriz de 2 × 3 puntos. En primer lugar, la imagen original se carga en la memoria. Después de que la imagen se vuelva gris, los ruidos se reducen mediante el filtrado gaussiano. Luego se operan la segmentación de umbrales, la extracción de líneas de contorno y el relleno de regiones. Por último, el diámetro se puede obtener ajustando círculos por mínimos cuadrados.

Pasos del procesamiento de imágenes.

(a) es la imagen original, (b) es gris, (c) es filtrado gaussiano, (d) es segmentación de umbral, (e) es relleno de región y (f) es extracción de líneas de contorno, (g) es círculo de mínimos cuadrados adecuado.

Los efectos de la presión de llenado en la jeringa sobre el tamaño del punto son los siguientes. Mientras la corriente de activación es de 6,8 A, el tiempo de apertura de la válvula es de 20 ms y la presión de llenado se ajusta a 0,08 MPa, 0,12 MPa, 0,16 MPa y 0,2 MPa respectivamente, se prueba el tamaño de punto. Los resultados de las pruebas se presentan en la Figura 13(a). Es obvio que el tamaño del punto de fluido aumenta a medida que aumenta la presión de llenado. Con el aumento de la presión de llenado, se acumulará más líquido en la cámara de la boquilla, por lo que el tamaño del punto aumenta.

Curva de variación del tamaño de punto.

(a) son efectos de la presión de llenado, (b) son efectos del tiempo de apertura y (c) son efectos de la corriente.

Los efectos del tiempo de apertura de la válvula sobre el tamaño del punto son los siguientes. El tiempo de apertura de la válvula está controlado por la forma de onda de voltaje. Mientras que la presión de llenado en la jeringa es de 0,15 MPa, la corriente de activación es de 6,8 A y el tiempo de apertura de la válvula se establece en 6 ms, 10 ms, 20 ms, 30 ms, 40 ms, 50 ms y 60 ms respectivamente, la Se prueba el tamaño del punto. Los resultados de las pruebas se presentan en la Fig. 13(b). Es obvio que el tamaño del punto de fluido aumenta a medida que se prolonga el tiempo de apertura de la válvula. A medida que el tiempo de apertura de la válvula se prolonga, se acumulará más líquido en la cámara de la boquilla, por lo que el tamaño del punto aumenta. Mientras el tiempo de apertura de la válvula supere los 40 ms, el tamaño del punto no aumentará, ya que los adhesivos se habrán llenado hasta el tope de la cámara de la boquilla en 40 ms. Las tendencias del tamaño de los puntos son consistentes con los resultados de la simulación.

Los efectos de la corriente en el tamaño de punto son los siguientes. Mientras que la presión de llenado en la jeringa es de 0,15 MPa, el tiempo de apertura de la válvula es de 20 ms y la corriente se ajusta a 3 A, 3,8 A, 4,6 A, 5,3 A, 6,0 A y 6,8 A respectivamente, se prueba el tamaño del punto. Los resultados de las pruebas se presentan en la Fig. 13 (c). Es obvio que el tamaño del punto del fluido aumenta a medida que la corriente aumenta. Con el aumento de la corriente, el recorrido de la aguja aumentará y la aguja puede obtener más energía cinética en la etapa de chorro, por lo que el tamaño del punto aumenta.

La Figura 14 muestra las dispersiones de diámetro de los puntos adhesivos. El diámetro representa el volumen del punto adhesivo. El diámetro se mide con el método de procesamiento de imágenes. Se miden cuatro matrices de 10 × 10 puntos. La mayor parte del diámetro se dispersa en 1,3-1,57 mm. Sin embargo, hay 4 puntos (1er punto, 101º punto, 201º punto y 301º punto) cuyo diámetro supera los 1,57 mm. El volumen del primer chorro de puntos del dispensador después de un intervalo es grande. La acumulación de adhesivos en la salida de la boquilla puede provocar el problema. El tema todavía ha sido estudiado hasta ahora. Si elimina los 4 puntos, la varianza de la muestra es de 0,0062 mm2 y los errores de diámetro están dentro del ±10%.

Dispersiones diamétricas de los puntos adhesivos.

Se ha evaluado la fiabilidad y la vida útil del dispensador de chorro. La válvula de chorro ha funcionado más de 50 millones de veces hasta ahora y todavía está bien. La nueva válvula de chorro llega al nivel de la válvula de chorro comercial.

El innovador dispensador de chorro puede entregar 250 puntos de pegamento por segundo utilizando la unidad GMM de alta densidad que se combina con la estructura de aumento y supera la frecuencia de chorro de los otros dispensadores. Los comportamientos dinámicos del sistema se evalúan mediante simulación y medición. La velocidad máxima de la aguja de inyección alcanza los 330 mm·s-1 y el desplazamiento máximo de la aguja de inyección es de 0,11 mm. Además, el modelo de simulación del nuevo sistema se establece utilizando Matlab-Simulink combinándolo con el modelo de circuito, el modelo de desplazamiento electromagnético, el modelo dinámico y el modelo de acoplamiento fluido-sólido. Proporciona el sistema de análisis teórico para desarrollar el nuevo dispensador de chorro. En una palabra, el dispensador basado en GMM proporcionará el principio y el prototipo técnico para la inyección de alto rendimiento.

Cómo citar este artículo: Zhou, C. et al. El principio y los modelos físicos del novedoso dispensador de chorro con magnetostrictivo gigante y una lupa. Ciencia. Rep. 5, 18294; doi: 10.1038/srep18294 (2015).

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Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional de Investigación Básica de China (programa 973: 2011CB013104) y los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales de la Universidad Central del Sur (2013zzts034), China.

Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y Laboratorio Estatal Clave de Fabricación de Complejos de Alto Rendimiento, Universidad Central del Sur, Changsha, 410083, China

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

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GLD y JAD propusieron este trabajo; CZ y JHL realizaron los experimentos; CZ y JHL realizaron análisis de los datos. CZ y JHL escribieron el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo está bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; Si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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Zhou, C., Li, J., Duan, J. et al. El principio y los modelos físicos del novedoso dispensador de chorro con magnetostrictivo gigante y una lupa. Representante científico 5, 18294 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18294

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Recibido: 24 de junio de 2015

Aceptado: 16 de noviembre de 2015

Publicado: 16 de diciembre de 2015

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

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