נוזלים עם צמיגות- נמוכה: בקרת טפטוף - The Extended Treatise

יש חוסר יושר מסוים בנוזלים דקים. הם זורמים כל כך ברצון, כל כך בשקט, עד שהמפעיל מניח שהתהליך נמצא בשליטה. פריימר ב-30-5 centipoise, מפעיל בגיל עשרים, UV דק ב-15 - אלה נראים כמו החומרים ה"קלים" בהשוואה לאפוקסי מלא שמתנגד לבוכנה בעליל. ובכל זאת, ברחבי התעשייה, מתן-בצמיגות נמוכה מייצר כשלים שקטים יותר בשדה כמעט מכל קטגוריה אחרת. הסיבה היא לא שקשה לדחוף את הנוזל. זה שקל מדי לדחוף אותו, והוא מסרב להפסיק בדיוק כשאומרים לו.

קחו בחשבון את הרגע שאחרי זריקה. השסתום נסגר. הרובוט מרים את המחט שתי עשיריות המילימטר. על משחה עבה, מתח פני השטח ומתח התשואה מחזיקים את הנוזל במקום; הנקודה יושבת, מעט כיפתית, צייתנית. על פריימר דק, עמודה קטנה של נוזל נשארת תלויה בפתח, המוזנת מרסיס נוזל שנצמד לדופן הקובה. הקדום, למעשה, פועל כמו מאגר נימי זעיר. הפקודה הסתיימה, אבל המניסקוס עדיין נרגע. שבריר שנייה לאחר מכן, חרוז לוויין מתנתק ונופל - לפעמים על החלק, לפעמים על המתקן, לפעמים על כלום, ומשאיר רק ערפל קלוש שיופיע שוב בבדיקת UV. זוהי "הטיפה השנייה", והיא הפח של ציפויים אופטיים, פריימרים חיישנים והרטבות מקדימות של קטטר רפואי.

כדי להבין למה, עלינו לעזוב את האינטואיציה וללכת למתמטיקה נימית. האורך הנצמד של הנוזל לאורך דופן הקידום מתקלף בערך עם אורך הנימים λ=√( / (ρg)) עבור משטח פנוי, אך בתוך צינור צר הכמות הרלוונטית היא חדירת Washburn: הנוזל מתקדם לתוך הקובה כנגד כוח הכבידה עם מיקום קדמי x(t) ∝ ··s (θ) ∝ √ t. עבור קדח מזהה של 0.2 מ"מ, ≈ 30 mN/m, η ≈ 0.03 Pa·s, חזית ההרטבה יכולה-להתקדם מחדש כמה עשרות מיקרונים בחלון הסרק בין יריות. ליטוש אלקטרו חשוב כאן לא בגלל הברק שלו אלא לזווית המגע שלו: קיר כרסום מחוספס (Ra 0.5 מיקרון) מצמיד את קו המגע, cosθ גבוה יותר ואורך ההרטבה גדל. קיר מלוטש (Ra < 0.2 מיקרומטר) מאפשר לקו המגע לסגת, cosθ יורד, והעמוד המוחזק מתקצר. אז המנוף הראשון נגד טפטוף הוא לא לחץ - זה גימור הקיר.

המנוף השני הוא התנגדות. מחט ארוכה יותר מוסיפה ירידת לחץ. עבור זרימה למינרית בצינור, ΔP=8μLQ / (πr⁴). הארך את המחט מ-18 מ"מ ל-28 מ"מ ואתה מעלה את ההתנגדות הצמיגית בכ-55% עבור אותו קצב זרימה, מה שאומר שהרתיעה האלסטית של עמוד הנוזל לאחר-צריכה להתגבר על עוד גרר לפני שהוא יוכל לטפטף החוצה. זו הסיבה שמחטים ארוכות (25-30 מ"מ) הן הבחירה הקלאסית לפריימרים דקים. אבל אורך הוא מציאה עם השטן: אותו שלוחה שמרכך את הזרימה מתגמש גם בהרמה. סטייה δ ≈ F·L³/(3EI); מעבר מ-18 ל-28 מ"מ מעלה את L³ בכמעט 3.8×, כך שהקצה מתנדנד יותר, וקצה מתנדנד מעיף חרוז זעיר הצידה. מהנדס התהליך המנוסה אפוא לא רק "משתמש במחט ארוכה"; הם בוחרים במחט הארוכה הקצרה ביותר - בדרך כלל 25 מ"מ - שעדיין נותנת התנגדות מספקת, והם מקשיחים את השוק על ידי החזקת OD ב-0.5-0.6 מ"מ גם כאשר המזהה הוא 0.2 מ"מ בלבד.

הידית השלישית היא למצוץ- אחורה, וכאן בעצם מתרחש רוב הכוונון. לאחר דופק הזריקה החיובי, לחץ שלילי קצר של -0.02 עד -0.04 MPa למשך 6-10 אלפיות השנייה מושך את המניסקוס בחזרה לתוך הקדח ב-0.1-0.3 מ"מ בערך. מעט מדי והתליון נשאר; יותר מדי ואתה מושך בועות אוויר לתוך הקובה, אשר אז יורקות על הזריקה הבאה. יש חלון צר, והוא משתנה עם צמיגות: מפעיל של 15 cP רוצה ~6 ms ב-0.025 MPa; אפוקסי דק של 40 cP רוצה ~10 ms ב-0.035 MPa. רישום זה על בסיס-חומר, במקום "להרגיש את זה", הוא מה שמפריד בין קו יציב לקו שמתכוונן מחדש-כל יום שני.

על הרצפה, הטקס המלא נראה כמעט טקסי. המאגר מותקן עם וסת ראש קבוע- כך שראש ההנעה לא נודד כשהמזרק מתרוקן - וריאציה של 5 מ"מ בלבד במפלס הנוזל משנה את התרומה ההידרוסטטית ב-~50 Pa, מספיק כדי להניע לוויין. הלחץ נשמר בכוונה מתחת ל-0.1 MPa; במקום להעלות לחץ כדי לקבל נקודה גדולה יותר, זמן הזריקה מתארך. הקצה נמחק כל 300 זריקות עם ספוגית ללא מוך- ספוגית (לעולם לא ספוג) ב-IPA, מכיוון שפני קצה רטובים מורידים את זווית המגע ומזמינים היצמדות. לפני כל ריצת ייצור, נערכת בדיקת רדיד של 50-זריקות: חמישים הרמות על רדיד אלומיניום שטוח, בדיקה מוגדלת, אפס לוויינים לעבור. אם מופיע אפילו חוט אחד, השאיבה לאחור מועברת במרווחים של 1 ms עד שהוא נעלם.

אני זוכר קו ציפוי לחלונות LiDAR לרכב המחלק פריימר הידרופובי 20 cP. הם רצו במהירות של 0.12 MPa, זריקות קצרות, וקיבלו קצב טפטוף של 5% שאיש לא יכול היה "לראות" עד שהחלקים עברו סריקת אור שחורה- וערפל הפריימר הקלוש נדלק כמו נמשים. הצוות ניסה תחילה מזהה קטן יותר, 0.1 מ"מ, בתקווה שחור חזק יותר יחנק את הטפטוף. זה עשה - ומיד נסתם עם חלקיקי עקבות כל 400 יריות. חזרה ל-0.2 מ"מ מזהה, הארכת המחט ל-25 מ"מ, הורדת לחץ ל-0.08 מגפ"ס והגדרת שאיבה של 8 ms -0.03 מג"פ-החזירה את הטפטוף לאפס במהלך ניסיון של שלוש-משמרות. הם גם גילו שזרימת אוויר סביבה ממאוורר קירור סמוך הוסיפה מספיק תנודת קצה כדי ליצור מחדש חוט חלש; מגן אקרילי קטן פתר את מה שלא היה שום פרמטר.

מסגור העלות הוא עדין. טפטוף שהוא "בלתי נראה" עדיין עולה: עיבוד שחור-קל, גרוטאות מאופטיקה ערפילית וזמן הבדיקה. ב-6,000 UPH ו-5% דחייה, זה היה בערך 300 חלקים שנדחו לשעה, כל אחד מהם צורך ~40 שניות של מחיקה ידנית-. המעבר לזרבובית הנירוסטה הארוכה מלוטשת אלקטרו הוסיפה 3 ¥ למחט, שהופחתה מעל 25,000 זריקות לשגיאת עיגול. ההחזר לא היה ביום - זה היה בהיעלמות של תחנת בדיקה שלמה שבועיים לאחר מכן.

מעבר לספסל, יש עיקרון עמוק יותר שכדאי לציין: הוצאת נוזלים דקים- אינה בעיית לחץ בלבד, היא בעיית אחסון- אנרגיה. הקדום אוגר מעט אנרגיה אלסטית + נימית לאחר כל זריקה; אם לא תשחזר אותו באופן פעיל, הנוזל יוציא אותו כטיפה תועה. אלקטרופוליש מפחית את מה שנאגר; אורך מתנגד לשחרורו; למצוץ-בחזרה משחזר אותו. שלוש מנופים, מניסקוס אחד.

במבט קדימה, שסתומי מיקרו- מונעי פיאזו עם כיבוי של פחות-מילישניות- מתחילים להתאים עם חרירי הנירוסטה הארוכים האלה, וסוגרים את הלולאה בסולם ננוליטר. מערכות ראייה מתבוננות בפתח בזמן הרמה ומוסותות יניקה- חזרה בזמן אמת. והמחט עצמה, עם תג משובץ, תדווח יום אחד על סחיפת אורך ההרטבה- לאחר N יריות, ותגרום לניקוי לפני הופעת הלוויין הראשון אי פעם. אבל נכון להיום, האמת הלא זוהרת מתקיימת: זרבובית נירוסטה ארוכה, חלקה ומכווננת היטב- היא עדיין הדרך השקטה ביותר לגרום לנוזל דק להתנהג.