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《大连理工大学》 2010年
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SU-8柔性微夹钳的拓扑优化设计与制作工艺

张成  
【摘要】: 微夹钳是微机电领域一种重要的微执行器,通过夹持微小物体进行移动、组装等动作来实现微装配和微操作。由于微夹钳的重要性及其应用的日益广泛,近年来对其的研究已经成为了微纳技术研究领域的热点之一。本文以柔性微夹钳为研究对象,对其在设计方法、结构设计和制作工艺等方面进行了研究,为微夹钳的技术应用产业化奠定基础。 本文从柔性机构的拓扑优化设计方法入手,论述了基于SIMP插值模型的人工密度法以及设计过程,建立了最大输出位移、最大MSE/SE和最大机械增益为目标函数的柔性机构拓扑优化设计的数学模型。在MATLAB软件环境下,通过具体算例的设计对这三种模型进行了比较和分析。将柔性机构的拓扑优化设计引入到三维结构,并对具体算例进行了设计。 为了满足柔性微夹钳在位移特性上的要求,对柔性微夹钳钳体进行了拓扑优化设计。其中,以镍为设计材料,以最大输出位移为目标设计了一种钳口常闭型微夹钳,以SU-8胶为设计材料,以最大MSE/SE为目标设计了一种的钳口常开型微夹钳。目前采用连续体拓扑优化设计的柔性微夹钳以钳口常开型为主,而本文设计的常闭型微夹钳在驱动时钳口张开,依靠自身回程反力夹持物体,夹持过程中不需要提供驱动,而且对于电热驱动器而言,夹持过程中钳口也不受电热驱动的影响,有利于微操作。同时采用ANSYS软件对电热柔性微夹钳进行了有限元仿真。 结合材料性能和电热微夹钳的特点,以SU-8胶为钳体材料同时采用V形梁作为电热驱动器来研究微夹钳的制作工艺。SU-8胶材料本身具有低的热传导率和高的热膨胀系数,同时具有良好的生物适应性,是电热微夹钳的理想材料。通过对微夹钳的驱动器结构形式的仿真,制定了两种制作工艺,并加工制作出高成品率和质量的微夹钳。同时进行了驱动实验,成功的驱动实验验证了柔性微夹钳设计的正确性和制作工艺的合理性。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TH703

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