Modelling and optimization of a pneumatic microfeeder system

This paper presents modelling and design optimization of a microfeeder which, as part of a microassembly system, is used for contactless object delivery. The microfeeder consists of an array of microactuators which are controlled by electrostatic actuation and used for maneuvering outcoming air jet for object hovering and delibery. The airflow behaviour in the microactuator is analysed by means of fluid mechanics and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation from three aspects, theoretical analysis, initial design assessment, and design modifications. The focus is put on the basic types of the microfeeder structure and the effects of structural details to the systematic performance. The structural pattern of the microactuator for forming airflow nozzle is identified and two design plans are proposed as basic structure patterns of pneumatic microactuators. The optimized design numerically shows the ability of delivering objects. This paper analyses the flow distribution pattern in microactuators and points out a way for effective design of pneumatic microfeeder systems. The optimization strategy provided by the present paper has close relevance to the design and manufacture of pneumatic microfeeder systems.

Parametrical modeling and design optimization of blood plasma separation device with microchannel mechanism

This paper presents an analysis of biofluid behavior in a T-shaped microchannel device and a design optimization for improved biofluid performance in terms of particle liquid separation. The biofluid is modeled with single phase shear rate non-Newtonian flow with blood property. The separation of red blood cell from plasma is evident based on biofluid distribution in the microchannels against various relevant effects and findings, including Zweifach-Fung bifurcation law, Fahraeus effect, Fahraeus-Lindqvist effect and cell free phenomenon. The modeling with the initial device shows that this T-microchannel device can separate red blood cell from plasma but the separation efficiency among different bifurcations varies largely. In accordance with the imbalanced performance, a design optimization is conducted. This includes implementing a series of simulations to investigate the effect of the lengths of the main and branch channels to biofluid behavior and searching an improved design with optimal separation performance. It is found that changing relative lengths of branch channels is effective to both uniformity of flow rate ratio among bifurcations and reduction of difference of the flow velocities between the branch channels, whereas extending the length of the main channel from bifurcation region is only effective for uniformity of flow rate ratio.

Modeling the structural breakdown of solder paste using the structural kinetic model

Solder paste is the most important strategic bonding material used in the assembly of surface mount devices in electronic industries. It is known to exhibit a thixotropic behavior, which is recognized by the decrease in apparent viscosity of paste material with time when subjected to a constant shear rate. The proper characterization of this time-dependent rheological behavior of solder pastes is crucial for establishing the relationships between the pastes structure and flow behavior; and for correlating the physical parameters with paste printing performance. In this article, we present a novel method which has been developed for characterizing the time-dependent and non-Newtonian rheological behavior of solder pastes and flux mediums as a function of shear rates. We also present results of the study of the rheology of the solder pastes and flux mediums using the structural kinetic modeling approach, which postulates that the network structure of solder pastes breaks down irreversibly under shear, leading to time and shear-dependent changes in the flow properties. Our results show that for the solder pastes used in the study, the rate and extent of thixotropy was generally found to increase with increasing shear rate. The technique demonstrated in this study has wide utility for R&D personnel involved in new paste formulation, for implementing quality control procedures used in solder-paste manufacture and packaging; and for qualifying new flip-chip assembly lines.

Modelling the time-dependent behaviour of solder pastes used in the electronics assembly applications

Solder paste is the most widely used bonding material in the assembly of surface mount devices in electronic industries. It generally has a flocculated structure (show aggregation of solder particles), and hence are known to exhibit a thixotropic behavior. This is recognized by the decrease in apparent viscosity of paste material with time when subjected to a constant shear rate. The proper characterisation of this timedependent rheological behaviour of solder pastes is crucial for establishing the relationships between the pastes’ structure and flow behaviour; and for correlating the physical parameters with paste printing performance. In this paper, we present a novel method which has been developed for characterising the timedependent and non-Newtonian rheological behaviour of solder pastes as a function of shear rates. The objective of the study reported in this paper is to investigate the thixotropic build-up behaviour of solder pastes. The stretched exponential model(SEM) has been used to model the structural changes during the build-up process and to correlate model parameters with the paste printing process.

Modelling of the time-dependent flow behaviour of lead-free solder pastes used for flip-chip assembly applications

The market for solder paste materials in the electronic manufacturing and assembly sector is very large and consists of material and equipment suppliers and end users. These materials are used to bond electronic components (such as flip-chip, CSP and BGA) to printed circuit boards (PCB's) across a range of dimensions where the solder interconnects can be in the order of 0.05mm to 5mm in size. The non-Newtonian flow properties exhibited by solder pastes during its manufacture and printing/deposition phases have been of practical concern to surface mount engineers and researchers for many years. The printing of paste materials through very small-sized stencil apertures is known to lead to increased stencil clogging and incomplete transfer of paste to the substrate pads. At these very narrow aperture sizes the paste rheology and particle-wall interactions become crucial for consistent paste withdrawal. These non-Newtonian effects must be understood so that the new paste formulations can be optimised for consistent printing. The focus of the study reported in this paper is the characterisation of the rheological properties of solder pastes and flux mediums, and the evaluation of the effect of these properties on the pastes' printing performance at the flip-chip assembly application level. Solder pastes are known to exhibit a thixotropic behaviour, which is recognised by the decrease in apparent viscosity of paste material with time when subjected to a constant shear rate. The proper characterisation of this time-dependent theological behaviour of solder pastes is crucial for establishing the relationships between the pastes' structure and flow behaviour; and for correlating the physical parameters with paste printing performance. In this paper, we present a number of methods which have been developed for characterising the time-dependent and non-Newtonian rheological behaviour of solder pastes and flux mediums as a function of shear rates. We also present results of the study of the rheology of the solder pastes and flux mediums using the structural kinetic modelling approach, which postulates that the network structure of solder pastes breaks down irreversibly under shear, leading to time and shear dependent changes in the flow properties. Our results show that for the solder pastes used in the study, the rate and extent of thixotropy was generally found to increase with increasing shear rate. The technique demonstrated in this study has wide utility for R&D personnel involved in new paste formulation, for implementing quality control procedures used in solder paste manufacture and packaging; and for qualifying new flip-chip assembly lines

Preparation of o/w emulsions stabilized by solid particles and their characterization by oscillatory rheology

The purpose of this investigation was to examine the preparation and characterisation of hexane-in-water emulsions stabilised by clay particles. These emulsions, called Pickering emulsions, are characterised by the adsorption of solid particles at the oil/water (o/w) interface. The development of an elastic film at the o/w interface following the adsorption of colloidal particles helps to promote emulsion stability. Three different solid materials were used: silica sand, kaolin, and bentonite. Particles were added to the liquid mixtures in the range of 0.5–10 g dm−3. Emulsions were prepared using o/w ratios of 0.1, 0.2, 0.3, and 0.4. The effect of sodium chloride, on the stability of the prepared emulsions, was assessed in the range of 0–0.5 mol dm−3. In addition the use of a cationic surfactant hexadecyl-trimethylammonium bromide (CTAB) as an aid to improving emulsion stability was assessed in the concentration range of 0–0.05% (w/v). Characterisation of emulsion stability was realised through measurements of rheological properties including non-Newtonian viscosity, the elastic modulus, G', the loss modulus, G", and complex modulus, G*. The stability of the emulsions was evaluated immediately after preparation and 4 weeks later. Using the stability criteria, that for highly stable emulsions: G' > G" and both G' and G" are independent of frequency (varpi) it was concluded that highly stable emulsions could be prepared using a bentonite concentration of 2% (or more); an o/w ratio greater than 0.2; a CTAB concentration of 0.01%; and a salt concentration of 0.05 M or less—though salt was required.

Rheological and heat transfer behaviour of the ionic liquid, [C(4)mim][NTf2]

Systematic experiments have been carried out on the thermal and rheological behaviour of the ionic liquid, 1-butyl-3-methylimidazolium bis{(trifluoromethyl)sulfonyl} imide, [C(4)mim][NTf2], and, for the first time, on the forced convective heat transfer of an ionic liquid under the laminar flow conditions. The results show that the thermal conductivity of the ionic liquid is similar to 0.13 W m(-1) K-1, which is almost independent of temperature between 25 and 40 degrees C. Rheological measurements show that the [C(4)mim][NTf2] liquid is a Newtonian fluid with its shear viscosity decreasing with increasing temperature according to the exponential law over a temperature range of 20-90 degrees C. The convective heat transfer experiments demonstrate that the thermal entrance length of the ionic liquid is very large due to its high viscosity and low thermal conductivity. The convective heat transfer coefficient is observed to be much lower than that of distilled water under the same conditions. The convective heat transfer data are also found to fit well to the convectional Shah's equation under the conditions of this work. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Coletores de distribuição e sua otimização hidráulica, aplicados a uma instalação de produção de água arrefecida em sistemas de AVAC ( Fórum Picoas)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Etude des instabilités d'interface du procédé de coextrusion

Ecole polytechnique de Montréal, département de mathématiques, André Fortin, et Pierre Carreau du département de génie chimique

Influence de l’agrégation érythrocytaire sur la migration axiale de microparticules simulant des plaquettes sanguines

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent.

Paramétrisation de la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire haute fréquence et pertinence comme facteur de risque de la thrombose veineuse

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique.

Représentation et identification des hypersurfaces

L’objectif à moyen terme de ce travail est d’explorer quelques formulations des problèmes d’identification de forme et de reconnaissance de surface à partir de mesures ponctuelles. Ces problèmes ont plusieurs applications importantes dans les domaines de l’imagerie médicale, de la biométrie, de la sécurité des accès automatiques et dans l’identification de structures cohérentes lagrangiennes en mécanique des fluides. Par exemple, le problème d’identification des différentes caractéristiques de la main droite ou du visage d’une population à l’autre ou le suivi d’une chirurgie à partir des données générées par un numériseur. L’objectif de ce mémoire est de préparer le terrain en passant en revue les différents outils mathématiques disponibles pour appréhender la géométrie comme variable d’optimisation ou d’identification. Pour l’identification des surfaces, on explore l’utilisation de fonctions distance ou distance orientée, et d’ensembles de niveau comme chez S. Osher et R. Fedkiw ; pour la comparaison de surfaces, on présente les constructions des métriques de Courant par A. M. Micheletti en 1972 et le point de vue de R. Azencott et A. Trouvé en 1995 qui consistent à générer des déformations d’une surface de référence via une famille de difféomorphismes. L’accent est mis sur les fondations mathématiques sous-jacentes que l’on a essayé de clarifier lorsque nécessaire, et, le cas échéant, sur l’exploration d’autres avenues.