基于火焰加热的微流体器件制造系统.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 :本文引用格式:李帅鑫,朱丽,王蒙,等基于火焰加热的微流体器件制造系统机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目()作者简介:李帅鑫(),男,硕士研究生,研究方向为微器件制造系统。:。基于火焰加热的微流体器件制造系统李帅鑫,朱丽,王蒙,袁文超,崔俊雅(南京理工大学机械工程学院微系统实验室,江苏南京)摘要:基于玻璃热成型技术设计一种微流体器件的制备系统,该系统基于火焰加热并通过多组电机的顺序控制可实现不同规格微玻璃管的拉制。并通过软件对加热过程中微玻璃管的温度变化建立仿真分析模型,分析加热过程中微玻璃管的温度分布变化,为微玻璃
2、管的加热时间提供借鉴,并对不同加热时间下微玻璃管的软化区域进行探究。通过改变制备系统的加热时间、拉伸电机的转速、加热区域宽度、微玻璃管的型号可拉制出不同型号尺寸的微针、微管道等微流体器件,并利用系统样机进行了基于加热时间、拉制速度、加热宽度的实验,探究各参数对微流体器件形貌尺寸的影响。相比于传统的制备系统,该系统不仅拥有多样化的可调参数,而且可通过更换不同内径的筒夹来实现对不同尺寸微流体器件的制备,使其拉制范围更广。关键词:微流体器件;火焰加热;制造系统中图分类号:,(,):,:;前言微流控技术是在尺寸为数十至数百微米的通道中操纵微量液滴(纳升到飞升)的技术。与传统的方法相比,微流控技术以用量
3、少、混合均匀、散热快、可以安全高效得到高质量产物等优点,在单细胞包裹 分 析、液 滴 数 字、药 物 输 送 和 释放等领域得到广泛的应用,并且微流控技术在商业化应用上也得到很大的发展,越来越多的产品推向市场。总之,微流控技术一门新型的、具有广泛应用和发展前景的交叉学科。作为微流控领域中的重要工具,微流体器件及其系统一直是领域中的研究热点,其在微反应器、生物医学检测、药物合成及成分鉴定和微量药物控释登录具有较大的潜在应用前景。而玻璃材料相比于其他材料不仅具有一定的机械强度和良好的工艺温度特性,而且化学性质稳定,优良的透光性也便于对实验过程进行观察。基于以上特点,玻璃已成为微流体器件制作的重要材
4、料。本文作者提出一种基于火焰加热的玻璃微流体器件制备系统,该系统主要由三部分构成,加热时间控制部分、旋转夹头部分和拉制部分。加热时间控制部分可通过改变电机正转、暂停、反转的时间间隔对微玻璃管的加热时间进行控制,整个加热时间控制部分固定在位移平台上,可通过调节位移平台调节加热位置。旋转夹头部分由两个电机、刀柄和筒夹组成,用以在加热过程中旋转微玻璃管使其受热均匀,并可以通过更换旋转夹头部分的筒夹以满足更多规格微玻璃管的拉制,提升制备系统的拉制范围。拉制部分由导轨滑台模组构成,在加热结束后完成拉制动作。利用 软件对加热过程中不同直径规格微玻璃管建立仿真分析模型,观测不同直径的微玻璃管在加热过程中的温
5、度变化,为实验中微玻璃管的加热时间提供借鉴。并利用系统样机进行了基于加热时间、拉伸电机转速、加热区域宽度的实验,探究了各参数对微流体器件形貌尺寸的影响。材料与方法 仪器与材料采用硼硅酸盐玻璃毛细管(外径、内径 分别为、,、,、,、,上海欣鹏玻璃仪器有限公司);火焰加热控制部分由步进电机()、驱动板()、石棉网(江苏成功教学用品有限公司)、平移台(北京派迪威仪器有限公司)、点火器(深圳易威普斯科技有限公司)组成。旋转夹头部分包括驱动控制器()、直流电源(,),步进电机(二相 型,扭矩 ,电流 ),高精度 筒夹(内径 分别为、,迈特精密科技有限公司)、刀柄(迈特精密科技有限公司)。拉制部分由滑台导
6、轨模组(二相 型,电流 ,翼宣科技有限公司)、步进电机驱动器()、直流电 源(,)组 成。利 用 激 光 雕 刻 机()与亚克力板加工出制备系统所需的其余机械部件。使用锻针仪()测量所拉制微流体器件的内径,利用图像处理软件 测量变形区长度。数值分析方法由于实验过程中微玻璃管的温度变化难以直接测量,为了探究微玻璃管加热过程中各参数影响,利用 有限元仿真软件建立微玻璃管的温度变化仿真模型。由于整个加热过程两侧对称,因此只对微玻璃管加热中心单侧进行建模。将火焰简化为直接与微玻璃管表面接触的环形壁面,设置微玻璃管材料属性,初始温度为 ,设置简化后的环形壁面温度为 ,观察微玻璃管的温度变化如图()、()
7、所示,与热源直接接触的微玻璃管部分温度迅速上升,但由于微玻璃管的导热系数不大,因此温度的变化主要集中在与加热区域相近部分。此外,对于不同规格的微玻璃管,内表面达到拉伸所需的软化温度 所需的时间不同:对于外径、内径 的微玻璃管,达到软化温度的时间为 左右;对于外径 、内径 的微玻璃管,达到软化温度的时间为 左右;对于外径 、内径 的微玻璃管,达到软化温度的时间为 左右;对于外径 、内径 的微玻璃管,达到软化温度的时间为 左右。由于不同的加热时间会导致微玻璃管达到软化温度的区域长度不同,从而影响最终所拉制微流体器件的几何尺寸。为了更准确地探究加热时间对微流体器件形状尺寸的影响,对微玻璃管内表面软化
8、时间附近范围节点的温度分布数据进行分析,如图 ()所示,可以看出:随着加热时间的增加,微玻璃管内表面达到软化温度的区域越来越长。图 微玻璃管的温度分布 :()、;();()、旋转式液滴生成器系统设计及实验器材图 所示为微流体制备系统结构示意,该系统主机床与液压第 卷要由 部分构成,加热时间控制部分、旋转夹头部分和拉制部分,整体采用竖直方向的拉制方式便于微流体器件的形成。其中加热时间控制部分由点火器、小型步进电机、驱动板、石棉网组成。其中石棉网通过支架与电机主轴连接,通过程序控制电机的正转、暂停、反转改变石棉网与点火器相对位置进而实现点火器热源对微玻璃管的加热与隔离。当石棉网与点火器相对时,石棉
9、网隔绝在热源与微玻璃管之间,使微玻璃管无法被加热;当电机控制石棉网与火焰错位时,则微玻璃管被热源加热。且电机暂停时间即为微玻璃管加热时间。整个加热时间控制部分安装在位移平台上,可通过位移平台来调节整个加热时间控制部分的位置,改变火焰加热的位置,进而改变微玻璃管的受热宽度。旋转夹头部分由滑台导轨结构、微型电机、驱动器、电源、刀柄、筒夹组成,并通过支撑架固定在拉制部分的导轨上。由于火焰加热升温快,且对于内外径较大的微玻璃管,单侧的火焰加热会导致微玻璃管受热不均匀,进而导致所拉制的微流体器件不理想。因此,用电机、刀柄、筒夹组成旋转夹头,在玻璃管加热过程中保持夹头高速转动,保证微玻璃管受热均匀。旋转夹
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