压电按需式微滴喷射装置的设计与开发

题 目 压电按需式微滴喷射装置的设计与开发 毕业任务书 一、题目 压电按需式微滴喷射装置的设计与开发 二、研究主要内容 1、压电按需式微滴喷射装置的原理研究 研究压电按需式微滴喷射装置的喷射机理，为装置的设计和开发，以及实验分析打下坚实的基础。 2、压电按需式微滴喷射装置的总体方案设计 根据喷射系统的要求提出总体设计方案，重点研究喷射装置的装配结构，满足压电式微滴喷射装置的密封性以及可靠性要求。 3、压电按需式微滴喷射装置的设计与开发 在总体方案的基础上，开发出合理的压电按需式微滴喷射装置。 4、压电按需式微滴喷射装置的实验研究 搭建压电按需式微滴喷射实验系统，首先以水作为喷射液体，验证装置的可行性；进行喷头工作参数匹配实验，得到喷头稳定喷射的工作区间，并研究加载电压，脉冲频率，脉冲宽度对喷射过程的影响。进行喷头图案喷射实验，证明喷射装置的稳定性和工艺参数的可重复性。 三、主要技术指标 设计并开发出能够稳定工作的压电微喷喷头，喷出液滴体积在几十微微升到几微升之间，液滴直径小于100μm，最高喷射频率大于50Hz。 四、进度和要求 1、进度安排 5～7周：搜索及阅读相关资料，并进行外文资料的翻译，对压电按需喷射装置有明确的认识，了解其喷射机理。 8～9周：根据喷射系统的要求，提出压电按需微滴喷射装置的总体设计方案。 10～12周: 按照总体方案，设计开发出按需微滴喷射装置，并完成三维图和工程图的绘制。 13～15周：搭建压电按需式微滴喷射装置的实验平台，观察喷射过程中液滴形成的全过程，研究各种工艺参数对液滴成形的影响规律，并进行图案喷射。 16～17周：材料整理，理论撰写及论文评阅及答辩。 2、要求 （1）计算机绘制二号图纸装配图 1张 （2）英文专业资料（大于三万印刷符）翻译 1份 （3）撰写毕业设计论文 1份 五、主要参考书及参考资料 [1] 肖渊，齐乐华，黄华，等. 气压驱动金属熔滴按需喷射装置的设计与实现. 北京理工大学学报，2010，30(7) : p780-784. [2] 黄菲，杨方，罗俊，等. 均匀金属液滴喷射微制造技术的研究现状. 机械科 学与技术， 2011，31(1)：p39-43. [3] Kuang-Chao Fana,Jhih-Yuan Chena,Ching-Hua Wanga, Wen-Chueh Panb. Development of a drop-on-demand droplet generator for one-drop-fill technology. Sensors and Actuators A 147 (2008): p649–655. [4] L.Li, M.Saedan, W. Feng, J.Y.H. Fuh , Y.S. Wong, H.T. Loh, S.C.H. Thian, S.T.Thoroddsen, L.Lu. Development of a multi-nozzle drop-on-demand system for multi-material dispensing. Journal of Materials Processing Technology 209 (2009)：p4444–4448. [5] 肖 渊，齐乐华，曾祥辉，等.气压驱动金属微熔滴可控喷射及沉积精度分析.机械工程学报，2010，47(15): p156-160. [6] 齐乐华，罗俊，李莉，等．均匀液滴喷射过程仿真与试验研究．机械工程学报，2008，44(12)：p86-92． [7] 谢丹，张鸿海，舒霞云，等．气动膜片式多材料微液滴按需喷射技术研究．中国科学，2010，40(7)：p794-801． [8] 魏大中, 张人佶, 吴任东等. 压电微滴喷射装置的设计.清华大学学报（自然科学版），2004，44(8)：p27-37. 学生 ___________ 指导教师 ___________ 系主任 _____ ____ 摘要 快速成型技术是一种薄层迭加的加工技术，具有加工效率高，自由成形，高集成性等优点。压电按需式微滴喷射制造技术是一种新型快速成形技术，它是利用电压脉冲驱动压电陶瓷元件（PZT）使之产生变形，产生的压力挤压腔体中的液体。当产生瞬间的压力足以克服液体的表面张力时，液体由喷嘴口喷射出。该结构可应用于熔融的金属、高分子材料的喷射，在工业制造上有极大的发展潜力。不过到目前为止投入使用的微滴喷射装置，每种喷射装置仅仅针对于一种喷射材料，生产价格昂贵并且装置维护费用高，拆卸维修麻烦，要实现多材料喷射实验，所需购买喷头数量大，成本增加。因此设计低成本、喷射装置结构简单、易拆卸、清洗及方便维修，能够稳定工作的喷头结构显得尤为重要。 本文首先研究了压电按需微滴喷射技术的喷射原理，液滴成形过程，以及液滴喷射的各工艺参数（如脉冲宽度、脉冲频率等）对喷射过程的影响。其次，按照外流道和内流道的分类，设计出两套压电式微滴喷射装置，装置主要结构包括：压电陶瓷片、喷嘴、储水器、喷头底座、喷头端盖和夹具。最后，搭建了压电按需式微滴喷射实验系统，采用直径为100μm的喷嘴，以水作为喷射液体，验证了装置的可行性；在喷头的工作参数匹配实验中得到低频稳定喷射状态下，频率对喷射状态无影响，只决定喷射液滴频率和速度。而电压和脉冲宽度则对喷头是否稳定喷射影响较大，要达到稳定喷射，脉冲宽度越大，电压下限也随之增大；编程控制三维运动子系统进行图案喷射实验，证明了喷射装置的稳定性和工艺参数的可重复性。 关键字：微滴喷射，压电按需喷射，喷射沉积，工艺参数 ABSTRACT Rapid prototyping technology is a kind of thin layer superposition processing technology, which has high processing efficiency, free forming, high integration etc. Piezoelectric-type droplet-on-demand spray deposition manufacturing technology is a new rapid prototyping technology, which is using voltage pulse to drive the piezoelectric transducer (PZT) to deform, extrude the liquid in cavity. When the instantaneous pressure has the ability to overcome the surface tension of the liquid, the liquid will be sprayed from the nozzle. The structure can be applied to the molten metal, polymer injection, which has great potential in the industrial production. But so far the droplet ejection device put into use, its spray device only for a spraying material, the price is high and device maintenance costs a lot, disassembling and repairing is very difficult. To realize the multi material injection experiment, you need to buy a lot of nozzles, which will cost very much. Therefore, to design a Steady work injection device which is low cost, simple structure, easy disassembling, cleaning and repairing, is very important. Firstly, this paper studied the principle of Piezoelectric-type droplet -on-demand spray deposition manufacturing technology, the droplet reformation process and the influence of droplet spray deposition effects parameters ( such as pulse width, pulse frequency and so on ).Secondly, according to the classification of outer flow passage and within flow passage, we designed two sets of piezoelectric micro-droplet ejection device, the device mainly comprises: a piezoelectric ceramic, a nozzle, a water storage device, a nozzle end cover, a nozzle cap and holder. Finally, we built a piezoelectric micro droplet spray experiment system according to the needs. We used a 100 μ m diameter nozzle to water jet to verify the feasibility in the applicator device. In the working parameter matching experiment low-frequency stable injection condition, frequency has no effect on the injection state, only on eject droplets frequency and speed. While, the voltage and pulse width have great effect on stable jet, in order to get a stable jet, with the increase of pulse width, voltage lower limit increases; we made a program to control the three-dimensional motion system to do pattern injection experiment, which proved stability of the injection device and repeatability of the process parameters. KEY WORDS: droplet spray, drop-on-demand, spray deposition, process parameters 目录 第一章