薄板驅動器雷射微矯形雙變形機理與工藝規劃研究

《薄板驅動器雷射微矯形雙變形機理與工藝規劃研究》是依託上海交通大學，由沈洪擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：薄板驅動器雷射微矯形雙變形機理與工藝規劃研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：沈洪
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

針對微機電系統精密裝配的精度控制需求，基於雷射熱變形原理，以雙橋薄板驅動器為對象，利用理論分析、數值模擬和實驗研究手段，開展驅動器雷射微矯形的基礎理論與技術方法研究。通過建立考慮材料尺度效應的本構方程，構建雷射微矯形的混合單元數值模型，實現熱變形的高效精確預測；結合正交試驗，分析加工工藝參數對驅動器變形的影響規律，探索彎曲變形和板內變形的耦合關係，建立工藝參數與兩種變形的關係描述模型，揭示雷射微矯形的科學實質；根據空間運動規劃理論和加工工藝資料庫，建立驅動器雷射微矯形的加工工藝規範，實現高效高精度的位置控制，為微機電系統製造提供理論基礎和技術支撐。通過本項目的研究，可以掌握驅動器雷射微矯形的變形準則和工藝方法，提高微電子產品加工和裝配效率，推動雷射微矯形技術的工業化套用，進而拓寬雷射熱成形技術的套用領域；雷射微矯形機理研究，將充實和發展微/介觀尺度熱-力耦合的基礎理論，具有重要的學術價值。

結題摘要

微機電系統的工作性能和服役壽命主要取決於相關功能元件的位置精度。傳統的製造工藝通過定位和連線等工序來完成功能元件的裝配。各工序都必須按照高精度的工藝要求才能最終保證功能元件的位置精度，因此，需要消耗大量的時間，影響微機電系統的裝配效率。針對微電子行業存在的裝配偏差與焊接誤差問題，通過設計特定的驅動器，採用雷射熱變形原理對驅動器進行微矯形，功能元件的位置精度就可以滿足設計要求，從而極大地提高微機電系統的裝配效率。 本研究以雙橋薄板驅動器為研究對象，利用理論分析、數值模擬和實驗手段研究驅動器的變形規律與工藝方法。根據雙橋驅動器的結構形式，在雷射加熱過程中既存在厚度方向的溫度差又有平面方向的溫度梯度，產生兩個方向上的變形，根據溫度分布以及厚度方向塑性區域分布的形狀，對塑性區域進行重新劃分，不同特徵形狀對應板內變形與板外變形，實現兩種變形的定性解耦，從而揭示雷射加熱產生雙向變形的物理機制；基於雷射板內變形的發展過程，根據變形協調關係與力平衡方程，建立曲率、應變、熱應變的關係式，結合驅動器幾何參數以及應力、應變在板內的分布規律，建立板內應變和彎曲曲率的代數表達式，綜合加熱與冷卻階段的變形，形成板內變形角度的數學模型；採用材料表面層模型，建立考慮厚度方向尺度效應的材料本構關係，建立殼-實體混合單元有限元模型，分析不同雷射功率、加熱時間以及驅動器幾何尺寸對雙向變形的影響規律，形成工藝參數與雙向變形的映射關係，揭示板內和板外變形的主導因素；基於有限元模型，研究了驅動器不同孔型（方孔、圓孔以及菱形孔）對應力分布與變形演變的作用機制，提出了驅動器孔型的設計方法；根據功能器件的目標位置，利用多孔驅動器的末端運動方程，結合單孔驅動器的變形規律，通過比對目標值和末端運動的計算值，反求各個位置的加熱參數，針對加工中的效率問題，利用模擬退火最佳化算法，提出以加熱時間最短為最佳化目標的工藝參數最佳化方法。 通過以上研究，形成了微觀尺度下板材熱彈塑性變形的理論模型，建立了面向局部加熱特徵的混合單元建模方法，提出了基於多約束空間的工藝規劃和最佳化方法。以第一作者身份發表SCI論文6篇包括ASME-Journal of Manufacturing Science and Engineering 1篇和International Journal of Machine Tools & Manufacture 3篇。