Микродозирование - Microdispensing

Микродозирование это метод производства дозированных жидких сред объемом менее одного микролитра. Продолжающаяся миниатюризация почти во всех технических областях создает постоянные проблемы для промышленности, разработок и исследовательских центров. Микродозирование - одна из таких проблем. Все меньшие количества клея, жидкости, масла, смазки и множества других средств должны быть надежно и точно дозированы и размещены с коротким временем цикла. Точное расположение и количество жидкостей, таких как клей, реагенты или любые другие вещества, имеют большое влияние на общее качество медицинского устройства. Вот несколько примеров:

Системы микродозирования с объемом от 50 пиколитров
Объемные системы для использования с клеями и системы распыления для игл для силиконового покрытия и других поверхностей

Микродозирование также используется в немедицинских целях, например при добавлении соды по запросу ( Кока-Кола Фристайл и Pepsi Spire ), струйная печать, и 3-D печать.

Методы дозирования

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

Контактное дозирование

При контактном дозировании капля образуется на выходе из сопла и наносится путем контакта, в то время как капля все еще находится на сопле. Техника так же стара, как желание разделить среду, хранящуюся в большом контейнере, на меньшие количества. Хорошим примером этого является нанесение клея с помощью тюбика: для нанесения клея требуется контакт между концом тюбика и частью, на которую переносится полоска клея. У этого метода есть недостатки:

Медленное дозирование
Часть должна быть затронута
Деталь может быть повреждена
Клей образует нити
Клей не на ожидаемом месте
Клейкие количества трудно воспроизвести

Несмотря на все эти недостатки, контактное дозирование до сих пор используется в большинстве автоматизированных процессов по следующим причинам:

Недостаток знаний о системах бесконтактного дозирования.
Немногочисленные производители систем бесконтактного дозирования
Нет прямого доступа к зоне выдачи (например, поднутрения)
Среда нельзя дозировать бесконтактно
Возможна дозировка без стресса на Medium
Более точное дозирование, особенно при дозировании шариков
В большинстве случаев просто чистить

Типовые технологии контактного дозирования

Шестеренчатый насос

высокочастотная пульсация
высокая производительность
всегда клапаны
без твердых частиц

Давление-время системы

многие компоненты
прагматическая оценка количества и контроля
Добавить. источник питания: воздух
объемный расход зависит от давления, времени и температуры

Бесконтактное дозирование (Jetting)

При бесконтактном дозировании капля также образуется на конце сопла, но достаточно далеко от целевой области, чтобы капля отделялась от сопла перед тем, как попасть в нее. Это тоже очень старая техника, старая как брызги жидкости из тюбика.

Из-за возрастающих требований к продолжительности цикла и точности почти во всех областях производства бесконтактное дозирование постоянно приобретает все большее значение. Хорошим примером этого является прикрепление очень маленьких электронных компонентов (SMD-детали) к печатным платам и подложкам. Для этого необходимо расположить держатель детали только в одной плоскости - после этого клей можно 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 распределение топографии клея независимо от топографии детали и структуры поверхности

Бесконтактное дозирование можно разделить на два разных метода:

Формовочное дозирование
Динамическое дозирование капель

Формовочное дозирование

Формирование струи происходит, когда скорость потока среды на выходе из сопла достаточно высока, так что влияние гравитации и поверхностного натяжения на отделение жидкости от сопла имеет второстепенное значение. Это состояние характеризуется Число Вебера:

{displaystyle mathrm {We} = {frac {ho v ^ {2} D} {sigma}}}

куда

${displaystyle ho}$	: Жидкость плотность (кг /м³)
${displaystyle v}$	: Jet скорость (м /s )
${displaystyle D}$	: Диаметр сопла (м)
${displaystyle sigma}$	: Поверхностное натяжение (N / м)

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

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

Для расчетной оценки скорости потока жидкости в сопле для жидкостей с ньютоновским режимом потока формула для капиллярного потока жидкости в соответствии с Закон Хагена – Пуазейля было доказано.

{displaystyle Q = {frac {Delta Ppi r ^ {4}} {8mu L}}}

${displaystyle Q}$	: Объемный расход
${displaystyle Delta P}$	: Разница давлений между входом и выходом из сопла
${displaystyle r}$	: Радиус сопла
${displaystyle mu}$	: Динамическая вязкость
${displaystyle L}$	: Длина сопла

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, чем критическое число Рейнольдса сопла:

{displaystyle Re

Число Рейнольдса сопла:

{displaystyle Re = {frac {ho vD} {mu}}}

{displaystyle mu}

: Динамическая вязкость

Критическое число Рейнольдса сопла:

{displaystyle 1800lessapprox Re_ {crit} lessapprox 2400}

Таким образом, теоретический диапазон распределения, образующего струю, заключен на нижнем пределе числом Вебера и на верхнем пределе критическим числом Рейнольдса. Для практических применений высокая кинетическая энергия в струе жидкости нежелательна, поскольку струя, вероятно, лопнет и разбрызгает крошечные капли вокруг целевой точки. Поэтому системы дозирования с формованием струи обычно работают в области более низких чисел Вебера.

На практике расчет числа Вебера становится более сложным, когда используются жидкости с добавками, которые демонстрируют неньютоновское (тиксотропное) поведение потока и, следовательно, вязкость во время потока через сопло отличается.

Динамическое дозирование капель

Динамическое дозирование капель характеризуется отделением капли от выходного отверстия сопла посредством динамического процесса, поскольку статическое давление жидкой среды недостаточно для образования струи жидкости.

Хорошо известный пример: струйная печать. В этом приложении объем небольшой дозирующей камеры с примыкающим к ней соплом уменьшается за счет короткого импульса, в результате чего чернила выбрасываются через сопло. Таким образом, камера сопла, сопло и резервуар для чернил гидравлически связаны 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, когда раздаточная камера снова заполняется. Принцип этого процесса применим только для жидкостей с низкой вязкостью, и этот принцип не применим к более высоким давлениям жидкости.

Струйные системы обладают следующими неотъемлемыми свойствами:

• Достигнуты очень маленькие однокапельные объемы (8 пиколитров)
• Возможна реализация высоких частот дозирования (несколько кГц)
• Низкие затраты на массовое производство.
• Можно использовать только определенные среды с низкой вязкостью (т. Е. Без летучих сред)
• Принципиально не герметичен

Для промышленного производства дозируемые количества и диапазон спектров вязкости струйных систем для большинства применений слишком мал. 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 среды до 200 Па · с (тиксотропная)