Study on capillary forces for micro-gripping

This work aims to perform a feasibility study about the use of capillary forces as the driving principle of an assembly device. Following the requirement list provided by our industrial partner, we have followed a classical design methodology to design and manufacture a prototype, which afterwards we tested. After a thorough literature review and a study of the industrial market about the current situation on capillary grippers we started from the functional analysis of the assembling device taking into account the client requests and constraints. This led us to the proposition of several conceptual designs. Out of these concepts, the more promising were chosen and deeply investigated showing positive results. For instance some pick and place tests showed the possibility to grip the component with reliability higher than 90% and release it with reliability around 80%. These results prove the prospect of using capillarity as the assembly driving procedure for small objects (dimension range [μm-mm]). Moreover there is still room for improvement for example by adding proper alignment and displacement systems, with vision system to detect the object’s position and robot to do the displacements. An innovative concept to release the object has been proposed. The idea is to work without a complex actuation system and playing only with the volume of the liquid bridge. A numerical model has been implemented in a MATLAB code allowing the user to calculate the capillary force, rupture distance and volume repartition in case of a simple geometry. Furthermore a manufacturing cycle has been investigated showing the possibility to combine conventional technologies as micro-EDM and micro-milling with 3D printing.

In questa tesi è presentato uno studio di fattibilità al fine di valutare la possibilità di sfruttare le forze capillari in un sistema di assemblaggio per micro-componenti. Tale studio è stato eseguito su richiesta e in collaborazione con un’azienda belga. Dopo aver studiato il caso proposto dal partner industriale e aver indagato l’attuale situazione dei sistemi di micro-assemblaggio, e in particolare dei gripper capillari, è stata svolta l’analisi funzionale del dispositivo. Dopodiché tenendo conto delle richieste del cliente e dei vincoli dettati dall’applicazione, sono stati proposti cinque concepts idonei al caso industriale preso in esame. Durante la fase di design è stato implementato in un codice MATLAB un modello numerico utile a studiare la forza capillare, la distanza di rottura e la ripartizione del volume in caso di geometrie semplici del gripper e dell’oggetto manipolato. I risultati ottenuti con il modello sono stati usati per il dimensionamento dei prototipi realizzati in una seconda fase del progetto. Tra i diversi concepts proposti, in collaborazione con l'azienda, abbiamo selezionato i più promettenti. Partendo dai concepts selezionati, abbiamo costruito dei prototipi, che sono infine stati testati tramite diverse prove di pick and place. I risultati ottenuti si sono mostrati incoraggianti: sono state ottenute affidabilità maggiori del 90% della fase di presa-pezzo e di circa 80% nella fase di rilascio-pezzo. Questi risultati sono ancor più incoraggianti se si pensa che non siano stati usati sistemi di allineamento e spostamento automatici e che parte dei fallimenti può con buona probabilità essere imputata a questo. Inoltre un’idea innovativa per il rilascio dell’oggetto è stata presentata nel corso della tesi, mostrando la possibilità di rilasciare l’oggetto modificando il volume di liquido del ponte capillare. Infine è stata vagliata la possibilità di utilizzare un ciclo tecnologico che combini tecnologie di produzione classiche come micro-EDM e micro-fresatura a una tecnologia non convenzionale della stampa 3D per polimerizzazione.