Płyny o niskiej-lepkości: kontrola kapania — rozszerzony traktat

Szczególna nieuczciwość występuje w przypadku rzadkich płynów. Przepływają tak chętnie i tak cicho, że operator zakłada, że ​​proces jest pod kontrolą. Podkład o temperaturze trzydziestu-pięć centypuazów, aktywator o dwudziestu, cienki lakier UV o piętnastu - – wyglądają jak „łatwe” materiały w porównaniu z wypełnioną żywicą epoksydową, która w widoczny sposób opiera się tłokowi. A jednak w całej branży dozowanie o niskiej-lepkości powoduje cichsze awarie w terenie niż prawie jakakolwiek inna kategoria. Powodem nie jest to, że trudno jest przepchnąć płyn. Chodzi o to, że zbyt łatwo jest go popchnąć i nie chce się zatrzymać dokładnie wtedy, gdy mu się to powie.

Zastanów się nad chwilą po strzale. Zawór zamyka się. Robot podnosi igłę o dwie dziesiąte milimetra. W przypadku gęstej pasty napięcie powierzchniowe i granica plastyczności utrzymują płyn na miejscu; kropka siedzi, lekko wypukła, posłuszna. Na cienkim podkładzie niewielka kolumna płynu pozostaje zawieszona na otworze, zasilana przez kawałek cieczy przylegający do ścianki otworu. W efekcie otwór działa jak mały zbiornik kapilarny. Polecenie zostało zakończone, ale menisk nadal się rozluźnia. Ułamek sekundy później koralik satelitarny odłącza się i opada - czasami na część, czasami na uchwyt, a czasami na nic, pozostawiając jedynie lekką mgiełkę, która pojawi się ponownie pod kontrolą UV. To „druga kropla” i zmora powłok optycznych, podkładów do czujników i wstępnego zwilżania cewników medycznych.

Aby zrozumieć dlaczego, musimy porzucić intuicję i przejść do matematyki kapilarnej. Długość przylegania płynu wzdłuż ścianki otworu jest z grubsza równa długości kapilary λ=√( / (ρg)) dla swobodnej powierzchni, ale wewnątrz wąskiej rurki odpowiednią wielkością jest penetracja Washburna: ciecz przedostaje się do otworu wbrew grawitacji z przednim położeniem x(t) ∝ √( ·r·cosθ / (2η)) · √t. W przypadku otworu wewnętrznego o średnicy wewnętrznej 0,2 mm, ≈ 30 mN/m, η ≈ 0,03 Pa·s, czoło zwilżania może-przesunąć się o kilkadziesiąt mikronów w oknie bezczynności pomiędzy ujęciami. Elektropolerowanie ma tutaj znaczenie nie ze względu na połysk, ale na kąt zwilżania: szorstko wyfrezowana ścianka (Ra 0,5 µm) ustala linię styku, cosθ jest wyższy i długość zwilżania rośnie. Elektropolerowana ścianka (Ra < 0,2 µm) pozwala na cofnięcie się linii styku, spadek cosθ i skrócenie trzymanej kolumny. Zatem pierwszą dźwignią zapobiegającą kapaniu nie jest ciśnienie, - ale wykończenie ściany.

Drugą dźwignią jest opór. Dłuższa igła zwiększa spadek ciśnienia. Dla przepływu laminarnego w rurze ΔP=8μLQ / (πr⁴). Wydłużając igłę z 18 mm do 28 mm, zwiększysz opór lepkości o około 55% przy tym samym natężeniu przepływu, co oznacza, że ​​elastyczny odrzut kolumny płynu po-strzałie musi pokonać większy opór, zanim będzie mógł wypłynąć. Dlatego długie igły (25–30 mm) to klasyczny wybór do cienkich podkładów. Ale długość to okazja z diabłem: ten sam wspornik, który tłumi przepływ, ugina się również podczas podnoszenia. Ugięcie δ ≈ F·L3/(3EI); przejście z 18 na 28 mm zwiększa L³ prawie 3,8×, więc końcówka kołysze się bardziej, a chwiejna końcówka odrzuca maleńki koralik na boki. Dlatego doświadczony inżynier procesu nie tylko „używa długiej igły”; wybierają najkrótszą długą igłę -, zwykle 25 mm -, która nadal zapewnia wystarczający opór, i usztywniają trzon, utrzymując średnicę zewnętrzną na poziomie 0,5–0,6 mm, nawet gdy średnica wewnętrzna wynosi tylko 0,2 mm.

Trzecia dźwignia jest zasysana-i to właśnie w tym miejscu odbywa się większość dostrajania. Po dodatnim impulsie strzałowym, krótkie podciśnienie od -0,02 do -0,04 MPa przez 6–10 ms wciąga menisk z powrotem do otworu o około 0,1–0,3 mm. Za mało i wisiorek pozostaje; za dużo i wciągasz do otworu pęcherzyki powietrza, które następnie plują przy kolejnym strzale. Istnieje wąskie okno, które zmienia się wraz z lepkością: aktywator 15 cP potrzebuje ~ 6 ms przy -0,025 MPa; cienka żywica epoksydowa o twardości 40 cP potrzebuje ~ 10 ms przy -0,035 MPa. Rejestrowanie tego na podstawie-materiału, a nie „wyczuwanie” tego, oddziela linię stabilną od linii, która-dostraja się ponownie w każdy poniedziałek.

Na podłodze cały rytuał wygląda niemal ceremonialnie. Zbiornik jest zamontowany za pomocą stałego-regulatora głowicy, dzięki czemu głowica napędowa nie przemieszcza się podczas opróżniania strzykawki. - zmiana poziomu płynu o zaledwie 5 mm zmienia wkład hydrostatyczny o ~50 Pa, co wystarczy do popchnięcia satelity. Ciśnienie celowo utrzymuje się poniżej 0,1 MPa; zamiast zwiększać nacisk, aby uzyskać większą kropkę, czas strzału ulega wydłużeniu. Końcówkę przeciera się co 300 strzałów niestrzępiącym się wacikiem zwilżonym (nigdy nie nasączonym) IPA, ponieważ mokra końcówka zmniejsza kąt zwilżania i sprzyja przyleganiu. Przed jakąkolwiek serią produkcyjną przeprowadza się test folii składający się z 50-strzałów: pięćdziesiąt naciągów na płaską folię aluminiową, kontrola w powiększeniu, zero satelitów do zaliczenia. Jeśli pojawi się choć jeden wątek, zasysanie jest zwiększane co 1 ms, aż do jego zniknięcia.

Pamiętam linię do powlekania okien samochodowych LiDAR, która dozowała hydrofobowy podkład o stężeniu 20 cP. Pracowali przy ciśnieniu 0,12 MPa, przy krótkich strzałach, i akceptowali 5% współczynnik ociekania, którego nikt nie mógł „zobaczyć”, dopóki części nie przeszły przez skanowanie w czarnym świetle-, a słaba mgiełka podkładu nie rozjaśniła się niczym piegi. Zespół najpierw wypróbował mniejszą średnicę, wynoszącą 0,1 mm, mając nadzieję, że węższy otwór zablokuje kroplówkę. Zrobił to - i natychmiast zatykał się śladowymi cząsteczkami co 400 strzałów. Powrót do średnicy wewnętrznej 0,2 mm, wydłużenie igły do ​​25 mm, zmniejszenie ciśnienia do 0,08 MPa i ustawienie ssania-powrotnego na 8 ms -0,03 MPa spowodowało, że kroplówka spadła do zera w trakcie próby z trzema{17}zmianami. Odkryli również, że przepływ powietrza z otoczenia z pobliskiego wentylatora chłodzącego dodał wystarczające oscylacje końcówki, aby zregenerować słabą nitkę; mała akrylowa przegroda rozwiązała to, czego nie miał żaden parametr.

Ramy kosztów są subtelne. „Niewidoczna” kroplówka nadal kosztuje: przeróbka-czarnego światła, resztki zamglonej optyki i czas kontroli. Przy 6000 UPH i 5% odrzutów oznaczało to około 300 odrzuconych części na godzinę, z których każda zajmowała około 40 sekund ręcznego czyszczenia-. Przejście na długą, elektropolerowaną dyszę ze stali nierdzewnej dodało 3 jeny za igłę, amortyzując ponad 25 000 strzałów z powodu błędu zaokrąglenia. Zemsta nie nastąpiła w ciągu jednego dnia, -, lecz w postaci zniknięcia całej stacji kontroli dwa tygodnie później.

Poza pracą warsztatową warto przedstawić głębszą zasadę: dozowanie-rzadkich płynów nigdy nie jest wyłącznie problemem ciśnienia, lecz problemem-magazynowania energii. Lufa magazynuje trochę energii elastycznej + kapilarnej po każdym strzale; jeśli nie odzyskasz go aktywnie, płyn wyda go w postaci bezpańskiej kropli. Elektropolerowanie zmniejsza ilość składowanego materiału; długość jest odporna na uwolnienie; ssanie-odzyskuje siły. Trzy dźwignie, jeden menisk.

Patrząc w przyszłość, mikrozawory-napędzane piezoelektrycznie-z zamknięciem poniżej-milisekundy-zaczynają łączyć się z tymi długimi dyszami ze stali nierdzewnej, zamykając pętlę w skali nanolitrów. Systemy wizyjne obserwują kryzę podczas podnoszenia i modulują zasysanie-w czasie rzeczywistym. A sama igła, z osadzonym znacznikiem, pewnego dnia zgłosi dryf-długości zwilżania po N strzałach, co spowoduje oczyszczenie przed pojawieniem się pierwszego satelity. Jednak na dzień dzisiejszy obowiązuje nieestetyczna prawda: długa, gładka,-dobrze wyregulowana dysza ze stali nierdzewnej to nadal najcichszy sposób na zachowanie rzadkiego płynu.