La microdispensación es la técnica de producir dosis de medios líquidos en volúmenes de menos de un microlitro. La miniaturización continua en casi todas las áreas técnicas crea desafíos constantes para la industria, el desarrollo y las instalaciones de investigación. La microdispensación es uno de esos desafíos. Se deben dispensar cantidades cada vez más pequeñas de adhesivo, líquido, aceite, grasa y una multitud de otros medios de manera confiable y precisa en la dosificación y la colocación con tiempos de ciclo cortos. El posicionamiento preciso y la cantidad de fluidos como pegamento, reactivos o cualquier otra sustancia tiene una gran influencia en la calidad general de un dispositivo médico. Algunos ejemplos son:
- Sistemas de microdosificación con una cantidad tan pequeña como 50 picolitros
- Sistemas volumétricos para su uso con adhesivos y sistemas de pulverización para agujas de recubrimiento de silicona y otras superficies
Microdispensación se utiliza también en aplicaciones no médicas, como la soda on-demand aromatizante (la Coca-Cola Freestyle y Pepsi Spire ), la impresión de inyección de tinta , y la impresión 3-D .
Técnicas de dispensación
Hay dos tipos básicos de técnicas de dispensación: dispensación por contacto clásica y dispensación sin contacto.
Dispensación por contacto
En la dispensación por contacto, la gota se forma a la salida de una boquilla y se deposita por contacto, mientras que la gota aún está en la boquilla. La técnica es tan antigua como el deseo de dividir un medio almacenado en un recipiente grande en cantidades más pequeñas. Un buen ejemplo de esto es la aplicación de adhesivo con un tubo: para aplicar el adhesivo se requiere el contacto entre la punta del tubo y la parte de la gota de adhesivo que se va a transferir. Este método tiene desventajas:
- Dispensación lenta
- Parte tiene que ser tocada
- La pieza podría estar dañada
- Hilos de formas adhesivas
- El adhesivo no está en el lugar esperado
- Las cantidades de adhesivo son difíciles de reproducir.
A pesar de todas estas desventajas, la dispensación por contacto todavía se usa en la mayoría de los procesos automatizados en la actualidad, debido a:
- Falta de conocimiento sobre los sistemas de dispensación sin contacto.
- Pocos fabricantes de sistemas de dispensación sin contacto
- Sin acceso directo al área de dispensación (p. Ej., Cortes)
- El medio no se puede dispensar sin contacto
- Es posible dispensar sin estrés a Medio
- Dispensación más precisa, especialmente en la dispensación de perlas
- Fácil de limpiar en la mayoría de los casos.
Tecnologías típicas para la dispensación por contacto
Bomba de engranajes
- pulsación de alta frecuencia
- alto rendimiento
- siempre válvulas
- no hay sólidos posibles
Sistemas de presión-tiempo
- muchos componentes
- evaluación pragmática de cantidad y control
- agregar. fuente de energía: aire
- el flujo volumétrico depende de la presión, el tiempo y la temperatura
Dispensación sin contacto (Jetting)
En la dispensación sin contacto, la gota también se forma en el extremo de una boquilla, pero lo suficientemente lejos del área objetivo como para que la gota se separe de la boquilla antes de golpear. Esta también es una técnica muy antigua, tan antigua como rociar líquido de un tubo.
Debido a los crecientes requisitos en cuanto a tiempo de ciclo y precisión en casi todas las áreas de producción, la dispensación sin contacto está ganando importancia constantemente. Un buen ejemplo de esto es la fijación de piezas electrónicas muy pequeñas (piezas SMD) en placas de circuito impreso y sustratos. Para ello, el portador de piezas solo debe colocarse en un plano; después, el adhesivo se puede transferir sin contacto. Los siguientes ejemplos muestran las ventajas de la dispensación sin contacto:
- Eliminación de un movimiento de avance a la pieza
- Ahorro de tiempo mediante la expulsión de adhesivo
- Sin contacto con la pieza (sin daños)
- Extensión uniforme de la topografía adhesiva independientemente de la topografía de la pieza y la estructura de la superficie
La dispensación sin contacto se puede dividir en dos métodos diferentes:
- Dispensación por formación de chorro
- Dispensación dinámica de gotas
Dispensación por formación de chorro
La dispensación formadora de chorro existe cuando la velocidad de flujo de un medio en la salida de la boquilla es lo suficientemente alta como para que los efectos de la gravitación y la tensión superficial sobre la separación del fluido de la boquilla sean de importancia secundaria. Este estado se caracteriza por el número de Weber :
dónde
: Densidad del fluido ( kg / m 3 ) | |
: Velocidad del chorro (m / s ) | |
: Diámetro de la boquilla (m) | |
: Tensión superficial ( N / m) |
La línea límite física entre la formación de gotas y la formación de chorros está alrededor de un número de Weber de 8. En este punto, la presión dinámica del medio que fluye excede la presión de la tensión superficial de la gota, que por lo tanto se adhiere a la boquilla. Esta etapa de transición se puede demostrar en un grifo de agua aumentando gradualmente el flujo, pasando del estado de goteo hasta que se forma un chorro de agua continuo. Sin embargo, el número de Weber en este caso es claramente superior a 8, debido a las condiciones de salida del chorro de la boquilla.
Utilizando el número de Weber, se puede encontrar el límite inferior teórico del flujo másico para las condiciones de formación del chorro. En aplicaciones reales, para garantizar un proceso de dispensación seguro, los números de Weber reales elegidos deben estar entre 20 y 50.
Para una estimación calculada de la velocidad del flujo de fluido en la boquilla, para fluidos con comportamiento de flujo newtoniano, se ha probado la fórmula para el flujo de fluido capilar de acuerdo con la ley de Hagen-Poiseuille .
: Tasa de flujo volumétrico | |
: Diferencia de presión entre la entrada y la salida de la boquilla | |
: Radio de la boquilla | |
: Viscosidad dinámica | |
: Longitud de la boquilla |
Para evitar la atomización del fluido en la salida de la boquilla, el flujo de fluido en la boquilla debe ser laminar, que es el caso siempre que el número de Reynolds (Re) de la boquilla sea menor que el número de Reynolds crítico de la boquilla:
Número de Reynolds de la boquilla:
: Viscosidad dinámica |
Número de Reynolds crítico de la boquilla:
Así, el rango teórico de la dispensión formadora de chorro está encerrado en su límite inferior por el número de Weber y en su límite superior por el número de Reynolds crítico. Para aplicaciones prácticas, no es deseable una alta energía cinética en el chorro de fluido, porque el chorro probablemente explotaría y salpicaría pequeñas gotas alrededor del punto objetivo. Por tanto, los sistemas de dispensación por formación de chorro se utilizan normalmente en la zona de números Weber más bajos.
En la práctica, el cálculo del número de Weber se vuelve más complicado cuando se utilizan fluidos con aditivos, que demuestran un comportamiento de flujo no newtoniano (es decir, tixotrópico) y por lo tanto la viscosidad durante el flujo a través de la boquilla es diferente.
Dispensación dinámica de gotas
La dispensación dinámica de gotas se caracteriza por la separación de una gota de la salida de la boquilla mediante un proceso dinámico, porque la presión estática del medio líquido es insuficiente para formar un chorro de fluido.
Un ejemplo bien conocido es la impresión por chorro de tinta . En esta aplicación, el volumen de una pequeña cámara de dispensación con boquilla contigua se reduce mediante un impulso corto, por lo que la tinta se expulsa a través de la boquilla. La cámara de la boquilla, la boquilla y el depósito de tinta están conectados de manera fluida sin ninguna válvula entre ellos. Durante el proceso de dispensación, parte del medio también fluye en la dirección inversa (de regreso al depósito). La tensión superficial del fluido en la salida de la boquilla evita que se aspire aire y que el fluido salga de la boquilla cuando la cámara de dispensación se llena de nuevo. El principio de este proceso solo es útil para fluidos de baja viscosidad y este principio no es aplicable con presiones de fluido más altas.
Los sistemas de inyección de tinta tienen las siguientes propiedades inherentes:
• Se pueden lograr volúmenes muy pequeños de una sola gota (8 picolitros)
• Se pueden lograr altas frecuencias de dispensación (algunos kHz)
• Bajos costos para la producción en masa
• Solo ciertos medios de baja viscosidad son dispensables (es decir, sin medios volátiles)
• Principalmente sin fugas prueba
Para la producción industrial, las cantidades de dispensación y el rango de espectros de viscosidad de los sistemas de inyección de tinta para la mayoría de las aplicaciones son demasiado pequeños. En estos campos de producción, se utilizan en su lugar válvulas especialmente diseñadas con accionamientos de empujadores de alta presión dinámica. Estos sistemas de microdispensación se caracterizan por las siguientes propiedades:
• Volúmenes de gota única de 10 a 200 nanolitros
• Frecuencias de dispensación de hasta 100 Hz
• Precisión de dispensación <1%
• Viscosidades del medio hasta 200 Pa · s (tixotrópico)
Referencias
- Este artículo utiliza material de musashi-engineering.de