Микродозирование

Микродозирование – это метод производства жидких сред дозами менее одного микролитра. Продолжающаяся миниатюризация практически во всех технических областях создает постоянные проблемы для промышленности, разработок и исследовательских учреждений. Микродозирование является одной из таких проблем. Все меньшие количества клея, жидкости, масла, смазки и множества других сред должны дозироваться надежно и точно в дозировке и размещении с коротким временем цикла. Точное расположение и количество жидкостей, таких как клей, реагенты или любые другие вещества, оказывают большое влияние на общее качество медицинского устройства. Вот несколько примеров:

Системы микродозирования объемом до 50 пиколитров.
Объемные системы для использования с клеями и системы распыления для нанесения силиконового покрытия на иглы и другие поверхности.

Микродозирование также используется в немедицинских целях, например, в ароматизации газированных напитков по требованию ( Coca-Cola Freestyle и Pepsi Spire ), в струйной печати и 3D-печати .

Техники дозирования

Существует два основных типа дозирования: классическое контактное дозирование и бесконтактное дозирование.

Контактное дозирование

При контактном дозировании капля образуется на выходе из сопла и осаждается при контакте, пока капля все еще находится на сопле. Эта техника так же стара, как желание разделить среду, хранящуюся в большом контейнере, на меньшие части. Хорошим примером является нанесение клея с помощью тюбика: для нанесения клея требуется контакт между кончиком тюбика и частью, на которую будет переноситься полоска клея. Этот метод имеет недостатки:

Медленное дозирование
Часть надо потрогать
Деталь могла быть повреждена
Клейкие формы нитей
Клей находится не в ожидаемом месте
Количество клея трудно воспроизвести.

Несмотря на все эти недостатки, контактное дозирование по-прежнему используется в большинстве автоматизированных процессов сегодня по следующим причинам:

Недостаток знаний о бесконтактных системах дозирования.
Мало производителей систем бесконтактного дозирования.
Нет прямого доступа к зоне выдачи (например, подрезы)
Средство нельзя дозировать бесконтактно.
Возможна безстрессовая выдача до Medium.
Более точное дозирование, особенно при дозировании шариков.
Простая очистка в большинстве случаев

Типовые технологии контактного дозирования

Шестеренчатый насос

высокочастотная пульсация
высокая производительность
всегда клапаны
твердые частицы невозможны

Системы давление-время

много компонентов
прагматическая оценка количества и контроля
добавлять. источник питания: воздух
объемный расход зависит от давления, времени и температуры

Бесконтактное дозирование (струйное)

При бесконтактном дозировании капля также образуется на конце сопла, но достаточно далеко от целевой области, чтобы капля отделилась от сопла еще до попадания. Это тоже очень старая техника, такая же древняя, как и впрыскивание жидкости из трубки.

Из-за растущих требований к времени цикла и точности практически во всех областях производства бесконтактное дозирование постоянно приобретает все большее значение. Хорошим примером является крепление очень маленьких электронных деталей (деталей SMD) к печатным платам и подложкам. Для этого носитель детали необходимо расположить только в одной плоскости – после этого клей можно будет переносить бесконтактно. Следующие примеры демонстрируют преимущества бесконтактного дозирования:

Удаление движения подачи к детали
Экономия времени за счет выброса клея
Нет контакта с деталью (без повреждений)
Равномерное распространение топографии клея независимо от топографии детали и структуры поверхности.

Бесконтактную выдачу можно разделить на два разных метода:

Струйное дозирование
Динамическое дозирование капель

Струйное дозирование

Струеобразующее дозирование существует, когда скорость потока среды на выходе из сопла настолько велика, что влияние гравитации и поверхностного натяжения на отрыв жидкости от сопла имеет второстепенное значение. Это состояние характеризуется числом Вебера :

\mathrm {We} ={\frac {\rho v^{2}D}{\sigma }}

где

$\rho$	: Плотность жидкости ( кг / м ³)
$v$	: Скорость струи (м/ с )
$D$	: Диаметр сопла (м)
$\sigma$	: Поверхностное натяжение ( Н /м)

Физическая граница между образованием капли и образованием струи находится примерно в числе числа Вебера, равного 8. В этот момент динамическое давление текущей среды превышает давление поверхностного натяжения капли, которая поэтому прилипает к соплу. Эту переходную стадию можно продемонстрировать на водопроводном кране, постепенно увеличивая расход, переходя от состояния падения до образования непрерывной струи воды. Однако число Вебера в этом случае явно превышает 8 из-за условий выхода струи из сопла.

Используя число Вебера, можно найти теоретический нижний предел массового расхода для условий формирования струи. В реальных приложениях, чтобы обеспечить безопасный процесс дозирования, реальные числа Вебера должны находиться в диапазоне от 20 до 50.

Для расчетной оценки скорости течения жидкости в сопле для жидкостей с ньютоновским поведением течения формула капиллярного течения жидкости по закону Хагена–Пуазейля доказана .

Q={\frac {\Delta P\pi r^{4}}{8\mu L}}

$Q$	: Объемный расход
$\Delta P$	: Разница давлений между входом и выходом сопла.
$r$	: Радиус сопла
$\mu$	: Динамическая вязкость
$L$	: Длина насадки

Чтобы избежать распыления жидкости на выходе из сопла, поток жидкости в сопле должен быть ламинарным, что имеет место до тех пор, пока число Рейнольдса (Re) сопла меньше критического числа Рейнольдса сопла:

Re<Re_{crit}

Число Рейнольдса сопла:

Re={\frac {\rho vD}{\mu }}

\mu

: Динамическая вязкость

Критическое число Рейнольдса сопла:

1800\lessapprox Re_{crit}\lessapprox 2400

Таким образом, теоретический диапазон струеобразующего распределения ограничен на нижнем пределе числом Вебера, а на верхнем пределе — критическим числом Рейнольдса. Для практических применений высокая кинетическая энергия струи жидкости нежелательна, поскольку струя, вероятно, лопнет и разбрызгает крошечные капли вокруг целевой точки. Поэтому струйно-формирующие дозирующие системы обычно работают в области меньших чисел Вебера.

На практике расчет числа Вебера усложняется, когда используются жидкости с присадками, которые демонстрируют неньютоновское (т.е. тиксотропное) поведение течения и поэтому вязкость при течении через сопло различна.

Динамическое дозирование капель

Динамическое капельное дозирование характеризуется отрывом капли от среза сопла посредством динамического процесса, поскольку статическое давление жидкой среды недостаточно для формирования струи жидкости.

Известный пример – струйная печать . В этом случае объем небольшой дозирующей камеры с прилегающим соплом уменьшается за счет короткого импульса, в результате чего чернила выбрасываются через сопло. Камера сопла, сопло и резервуар для чернил, таким образом, соединены по текучей среде без какого-либо клапана между ними. В процессе дозирования часть среды также течет в обратном направлении (обратно в резервуар). Поверхностное натяжение жидкости на выходе из сопла предотвращает всасывание воздуха и выход жидкости из сопла при повторном заполнении раздаточной камеры. Принцип этого процесса полезен только для жидкостей с низкой вязкостью и неприменим при более высоких давлениях жидкости.

Струйные системы обладают следующими присущими свойствами:

• Достижимы очень небольшие объемы одной капли (8 пиколитр).
• Могут быть реализованы высокие частоты выдачи (несколько кГц)
• Низкие затраты на массовое производство
• Можно использовать только определенные среды с низкой вязкостью (т. е. не использовать летучие среды).
• Принципиально не герметичен.

Для промышленного производства объемы дозирования и диапазон спектров вязкости струйных систем для большинства применений слишком малы. В этих областях производства вместо них используются специально разработанные клапаны с толкателями высокого динамического давления. Эти микродозирующие системы характеризуются следующими свойствами:

• Объем одной капли от 10 до 200 нанолитров.
• Частота выдачи до 100 Гц
• Точность дозирования < 1%
• Вязкость сред до 200 Па·с (тиксотропная).

Ссылки

В этой статье использованы материалы с сайта musashi-engineering.de.