Mikro esnek yükselticinin tasarımı, üretimi ve optimizasyonu
The design, manufacturing and optimization of micro compliant amplifier
Yazar: ERGİN KOSA
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT TRABZON ; YRD. DOÇ. DR. ÜMİT SÖNMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mikro esnek yükselticiler, mikro ölçekli uygulamalarda tetikleyicilerin ötelenme veya kuvvet yükseltilmesi için tercih edilmektedir. Bu çalışmalarda sisteme düşük kuvvetler uygulanması ile daha yüksek ötelenme veya daha yüksek kuvvet çıkışları elde edilmesi amaçlanmaktadır. Bu durum malzemenin yüksek kuvvetlere gereksinim duyulmadan kolaylıkla kesilebilmesini sağlamaktadır. Bununla beraber ileride mikro üretim proseslerin de düşük kuvvetlerle daha yüksek kuvvetler uygulayabilen mikro esnek robotlar kullanılabilecektir. Bununla birlikte, bu tasarım akademik araştırmada yeni bir bakış açısı getirecektir.Esnek bağlantılı mikro mekanizmalar, rijit davranan çubuklar ile bunları birbirine bağlayan elastik bağlardan oluşurlar. Elastik bağlar, belirli yükleme durumunda mekanizmanın hareketi sırasında şekil değiştirirler ve enerji depolarlar ve kuvvetle beraber hareketi de aktarırlar. Yükleme durumu kaldırıldığında ise tekrar eski konumlarına ve durumlarına dönme özelliği gösterirler.Esnek sistemlerin çalışma şartları altında aşınma ve yataklama olmadığından kolay montaj edilebilme, hafiflik, düşük sürtünme ve yağlamaya gereksinim duymamayı ve mekanizmanın daha az ve mono blok parçalardan üretilmesini sağlamaktadır. Bu tez, mikro sistemin tasarımını, üretimini ve optimize edilmesini kapsamaktadır.Bu çalışmada amaç, mikro sisteme uygulanan giriş kuvveti değeri mikro esnek mekanizma tasarımı yardımıyla artırılarak çıkış düğüm noktasında çıkış kuvveti olarak elde edebilmektir. Yükseltme oranı, çıkış kuvvetinin giriş kuvvetine oranı olarak tanımlanmıştır.Tasarım, küçük krank açılı mikro esnek bağlantılı mekanizma olup elastik bağlar, rijit davranan çubuklardan ve yaydan oluşturulmuş, mikro mekanizmanın rijit modeli MATLAB programında modellenmiş, yay çıkışlı ve elastik bağ çıkışlı olarak ANSYS'te farklı kuvvet değerlerinde statik ve dinamik analiz yapılmış ve kuvvet artırma oranları hesaplanmıştır. Bu çözümlemelerde 100 mikron yatay uzunluklu ve10 mikron yüksekliğe sahip eğrisel elastik bağlara sahip mikro kuvvet artıcı ile 11.1 kat kuvvet yükseltme oranı elde edilmiştir.Ayrıca rijit çubukları bağlayan aralardaki elastik bağlar dikdörtgen, üçgen ve eğrisel olarak tasarlanıp sağladıkları kuvvet artırma oranları birbiriyle karşılaştırılmıştır. Bunlara ek olarak sistemin çıkışındaki yay katsayısı değeri, elastik bağların yatay ve dikey uzunlukları ile genişlikleri değiştirilerek mekanizmanın optimize edilmesine çalışılmıştır.ANSYS'teki çözümlemelerden faydalanılarak elastik bağlantılı yerlere eşlenik yay metodolojisi geliştirilmiştir. Howell'ın esnek bağlantılı çubuklar için pseudo-rijit modelinden faydalanılmış, düz elastik çubuklardaki moment ve gerilmeden doğan enerji grafiklerinin birbiriyle örtüştüğü gözlenmiş ve eğrisel, üçgen ve dikdörtgen şekilli bağlar için ise enerji değerlerini sağlayan burulma yay katsayısı sabitleri bulunmuştur. Son olarak mikro esnek bağlantılı mekanizmanın, mikro üretim tekniklerinden biri olan SOIMUMPS prosesi ile yalıtkan malzeme üzerinde duran mikro esnek yükselticinin silisyum malzemeden üretilmesi kararlaştırılmış ve proses için gereken maskelerin yerleşim kurallarına göre tasarımı yapılıp MEMSCAP'a verilmek üzere EUROPRACTICE'e gönderilmiştir.

Abstract:
Micro compliant amplifiers are preferable to amplify the force or displacement of any actuator in micro-scale applications. In studies, it is achieved to get a high displacement or force output by applying small input force to the system. In this case, a material could be cut easily with small input forces. Besides that, micro compliant robots will be used in micro fabrication. Also, the design enables us a new perspective in an academic research.Compliant micro mechanisms are composed of rigid beams and elastic beams linking rigid beams. Under specific loading conditions, when the mechanism operates, elastic beams deflect, store energy and transfer the force and the movement. After that, the loading is taken away, the elastic beams goes to initial positions and conditions.Compliant systems are used for their advantages such as getting less friction and no lubrication, being lightweight and easy for assembly because of being free from bearing and wearing under operating conditions. Also, it enables us to manufacture the mechanism with less and single parts without joints. This paper includes design manufacturing and optimization of the micro compliant amplifier.In this study, our aim is that input force applied to the micro system is amplified by the micro compliant mechanism? design at the output node as an output force. Amplification factor is the ratio of output force to the input force.Design is small crank angled micro compliant mechanism composed of elastic beams, rigid beams and spring. Micro compliant force amplifier? pseudo-rigid model is modeled by MATLAB and as with spring output and elastic beam output the micro mechanism is analyzed statically and dynamically at different force inputs and amplification factors are evaluated. At these simulations, micro compliant forceamplifier that has 100 micron horizontal length and 10 micron small offset curvature beams enables us 11.1 times amplification of input force.Moreover, elastic beams between rigid beams are modeled such as rectangle, triangle and curvature and these compliant micro mechanisms are compared according to their amplification factors. Besides, by changing torsional spring constant, changing size of elastic beams including lengths, heights and widths the micro compliant force amplifier is optimized.Using ANSYS simulations, conjugate spring methodology is developed for elastic beams. Pseudo-rigid body models of Howell?s for flexural hinged beams are used. At straight elastic beams, the torks and strain energy graphics correspond to each other and for curvature, rectangle and triangle elastic features, torsional spring constant which enables energy values is evaluated. Lastly, it is determined that micro compliant force amplifier is manufactured using SOIMUMPS technology enabling us to fabricate the micro compliant force amplifier design as silicon on insulator and the masks are designed using rules about relations between the layers in the process. After that, the design is submitted to EUROPRACTICE to send MEMSCAP.