مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی، ساخت و مدل‌سازی تجربی سامانه تزریق قطره مبتنی بر پیزوالکتریک با استفاده از روش آماری

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
پویا فیروزی‌راد
حامد غفاری راد
سید مهدی رضاعی
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
10.48311/mme.24.10.657
چکیده
در این پژوهش، دستگاه تزریق قطره سیال مبتنی بر عملگر پیزوالکتریک طراحی و ساخته شده است، تا عملکرد این سامانه در تولید قطرات با حجم‌های مختلف ارزیابی شود. سامانه تزریق قطره، در بسیاری از کاربردهای زیستی و بیولوژیکی اهمیت دارد. این سیستم‌ها دارای عامل‌های قابل‌تنظیم متعددی هستند که پیش‌بینی حجم قطره تولید شده را دشوار می‌کند. برای تحلیل تأثیر مولفه‌های مختلف ورودی و پیش‌بینی حجم قطره، از روش طراحی آماری آزمایش‌ها با رویکرد پاسخ سطح استفاده شده است. در این تحقیق، پنج عامل اصلی شامل سه مولفه‌ مرتبط با سیگنال ورودی (زمان بالارفتن و پایین آمدن، زمان گشودگی و دامنه سیگنال)، فشار پشت سیال، و قطر نازل موردمطالعه قرار گرفتند. برای هر کدام از این مولفه‌ها، سطوح مختلفی در نظر گرفته شده و تأثیرات مستقل و تعاملی آن‌ها بر حجم قطره مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی نتایج نشان داد که تمامی عامل‌ها دارای پی‌ولیو کمتر از 05/0 هستند که مبنی بر این است که این عوامل به طور معناداری بر حجم خروجی تأثیر دارند. همچنین مدل رگرسیون به‌دست‌آمده با ضریب تعیین 98/0، توانایی مناسبی در پیش‌بینی حجم قطره دارد. همچنین عملکرد معکوس مدل رگرسیون با استفاده از بهینه‌سازی پارامترها بررسی شد، که در مقایسه با نتایج تجربی، نشان از خطای کمتر از 5 درصد داشت. مدل به‌دست‌آمده بهینه‌سازی مولفه‌های طراحی و بهبود عملکرد سامانه را امکان‌پذیر می‌کند و به افزایش دقت و کارایی این نوع دستگاه‌ها در کاربردهای هدف، کمک شایانی می‌نماید
کلیدواژه‌ها
سامانه تزریق قطره سیال
پیزوالکتریک
طراحی آزمایش
پاسخ سطح

موضوعات

عنوان مقاله English

Design, Fabrication, and Experimental Modeling of a Piezoelectric-Based Droplet Injection System Using Statistical Methods

نویسندگان English

Pouya Firuzy Rad
Hamed Ghafarirad
Seyed Mahdi Rezaei
Amirkabir University of Technology
چکیده English

In this study, a droplet injection system based on a piezoelectric actuator was designed and built to evaluate the system's performance in producing droplets of varying volumes. Droplet injection systems are crucial in many biological and biomedical applications. These systems contain numerous adjustable parameters, making it challenging to predict the resulting droplet volume. To analyze the influence of different input parameters and predict droplet volume, a statistical design of experiments approach was employed using response Surface methodology. Five main factors were investigated in this research, including three parameters related to the input signal (rise time, fall time, open time, and signal amplitude), back pressure, and nozzle diameter. Different levels were considered for each parameter, and their independent and interactive effects on droplet volume were analyzed. The results indicated that all factors had a p-value of less than 0.05, confirming their significant impact on the output volume. The regression model obtained, with R2 of 0.98, showed strong predictive capability for droplet volume. Furthermore, the inverse performance of the regression model was analyzed using parameter optimization, and a comparison with the experimental setup demonstrated an error of less than 5%. This model enables the optimization of design parameters and enhances the system's performance, significantly improving the accuracy and efficiency of such devices in targeted applications

کلیدواژه‌ها English

Fluid Droplet Injection System
Piezoelectric
Design of Experiments
Response surface
[1] M.A. Trimzi, Y.B. Ham, B.C. An, J.H. Park, S.N. Yun, Numerical analysis and simulation of an impulse driven piezoelectric needle-free jet injector, Journal of Mechanical Science and Technology 33 (2019) 3851–3858. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0728-9.
[2] H. Li, J. Liu, K. Li, Y. Liu, Piezoelectric micro-jet devices: A review, Sens Actuators A Phys 297 (2019). https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111552.
[3] H. Peng, J. Deng, G. Deng, C. Zhou, J. Li, Design and Research of a Novel Piezostack-Driven Jetting Dispenser With a Diamond Spring, IEEE Trans Compon Packaging Manuf Technol 12 (2022) 1849–1856. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2022.3218348.
[4] G. Deng, W. Cui, C. Zhou, J. Li, A piezoelectric jetting dispenser with a pin joint, Optik (Stuttg) 175 (2018) 163–171. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.08.132.
[5] G. Deng, N. Wang, C. Zhou, J. Li, A Simplified Analysis Method for the Piezo Jet Dispenser with a Diamond Amplifier, Sensors 18 (2018) 2115. https://doi.org/10.3390/s18072115.
[6] S. Zhou, P. Yan, Design and Analysis of a Hybrid Displacement Amplifier Supporting a High-Performance Piezo Jet Dispenser, Micromachines (Basel) 14 (2023) 322. https://doi.org/10.3390/mi14020322.
[7] Z. Bu, S. Lin, X. Huang, A. Li, D. Wu, Y. Zhao, Z. Luo, L. Wang, A novel piezostack-driven jetting dispenser with corner-filleted flexure hinge and high-frequency performance, Journal of Micromechanics and Microengineering 28 (2018) 75001. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aab80c.
[8] Y. Yang, S. Gu, Q. Lv, J. Liu, Z. Yang, C. Li, H. Tian, Influence of needle impact velocity on the jetting effect of a piezoelectric needle-collision jetting dispenser, AIP Adv 9 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5086258.
[9] M. Wu, R.M. Zhao, J.N. Chen, J.J. Zheng, B.K. Shao, Design and performance analysis of a flexible-hinged piezoelectric driving dispenser, Smart Mater Struct 33 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-665X/ad2c69.
[10] C. Zhou, J. Duan, G. Deng, J. Li, A Novel High-Speed Jet Dispenser Driven by Double Piezoelectric Stacks, IEEE Transactions on Industrial Electronics 64 (2017) 412–419. https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2598805.
[11] R. Zhao, S. Lv, G. Chen, J. Chen, Q. Wang, M. Wu, J. Zheng, Design and experiment of a new double needle type piezoelectric jetting dispenser, Smart Mater Struct 32 (2023). https://doi.org/10.1088/1361-665X/acb745.
[12] Lu, Chen, Zheng, Zhao, Long, Simulation and Experiment on Droplet Volume for the Needle-Type Piezoelectric Jetting Dispenser, Micromachines (Basel) 10 (2019) 623. https://doi.org/10.3390/mi10090623.
[13] M.A. Trimzi, Y.B. Ham, B.C. An, Y.M. Choi, J.H. Park, S.N. Yun, Development of a Piezo-Driven Liquid Jet Dispenser with Hinge-Lever Amplification Mechanism, Micromachines (Basel) 11 (2020) 117. https://doi.org/10.3390/mi11020117.
[14] C. Zhou, G. Deng, J. Li, J. Duan, Flow Channel Influence of a Collision-Based Piezoelectric Jetting Dispenser on Jet Performance, Sensors 18 (2018) 1270. https://doi.org/10.3390/s18041270.
[15] S. Lu, J. Zhang, Y. Liu, H. Zheng, C. Ren, W. Liu, Droplet formation study of a liquid micro-dispenser driven by a piezoelectric actuator, Smart Mater Struct 28 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab0b70.
[16] S. Salehian, P.F. Rad, H. Ghafarirad, Design and Analysis of Piezoelectric Aided Dispensing System for Fluid Droplet Generation, in: 2023 11th RSI International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), 2023: pp. 756–761. https://doi.org/10.1109/ICRoM60803.2023.10412545.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 24، شماره 10
مهر 1403
صفحه 657-666