Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni
29 marca 2016
Współczynnik restytucji to parametr opisujący utratę energii kinetycznej podczas zderzenia. W tym przypadku opracowano układ swobodnego spadania w warunkach próżni, aby móc określić parametr współczynnika restytucji dla cząstek w zakresie mikrometrów o dużych prędkościach uderzenia.
Ogólnym celem tego układu eksperymentalnego jest zmierzenie współczynnika restytucji zderzających się cząstek w warunkach próżni. Metoda ta może przyczynić się do rozwiązania problemów inżynieryjnych, ponieważ współczynnik restytucji jest obecny w każdej operacji inżynieryjnej, takiej jak transport, obsługa, przechowywanie ziarnistych ciał stałych w przemyśle maszynowym. Główną zaletą tej metody jest to, że można ją nakładać na drobne proszki w warunkach próżni bez przyspieszania cząstki wchodzącej do komory.
Sven Drucker, doktorant z mojego laboratorium, zademonstruje tę procedurę. Pracuje w ramach projektu o nazwie Pardem. Do pracy z cząstkami o dowolnej wielkości najpierw zdejmij tuleję z komory próżniowej i zdejmij górną pokrywę.
Następnie wybierz płytę podstawy z żądanym materiałem ścianki do komory. Następnie obróć dolną część komory próżniowej na bok i ostrożnie wsuń płytę podstawy na miejsce. Następnie za pomocą pęsety umieść dokładnie jedną cząstkę o znanym rozmiarze na środku płytki podstawy.
Następnie dostosuj położenie szybkiej kamery wideo zamontowanej na statywie tak, aby płyta podstawy znajdowała się w najniższej ćwiartce pola widzenia, a ostrość była skupiona na cząstce. Ustaw szybką kamerę tak, aby nagrywała 10 000 klatek na sekundę w rozdzielczości 528 na 396 pikseli. Następnie nagraj krótki film przedstawiający cząstkę w celach informacyjnych.
Nie zapomnij później usunąć cząsteczki. Podczas pracy z cząstkami o wielkości 700 mikronów lub grubszej należy najpierw dostosować wysokość komory na cząstki, aby osiągnąć pożądaną prędkość uderzenia. Zmierz wysokość za pomocą skali przymocowanej do płyty mocującej.
Następnie zamknij komorę na cząstki końcówką pipety. Teraz podnieś górną pokrywę komory próżniowej i umieść jedną pojedynczą kulę w komorze na cząstki za pomocą pęsety. W tym przykładzie pokazano bryłę kulę.
Jednak kule wypełnione cieczą mogą być również testowane. Umieść górną pokrywę w dolnej części komory próżniowej i połącz górną pokrywę i dolną część komory próżniowej z tuleją. Teraz załóż okulary ochronne przed wytworzeniem podciśnienia.
Za pomocą pompy opróżnij komorę, aż do uzyskania żądanego ciśnienia. Ciśnienie docelowe w tej demonstracji wynosi 0,1 milibara. Następnie zamknij zawór z boku komory i wyłącz pompę.
W tym momencie rozpocznij nagrywanie wideo. Podczas nagrywania otwórz otwór w komorze na cząstki, aby uwolnić cząstkę, a jednocześnie pociągnij i przekręć patyczek przymocowany do końcówki pipety. Zapobiegnie to problemom z poślizgiem drążka spowodowanym dużym tarciem między drążkiem a uszczelnionym pierścieniem.
Po wystąpieniu uderzenia natychmiast zatrzymaj nagrywanie. Można zapisać tylko ograniczoną liczbę klatek, a pierwsze są nadpisywane, gdy tylko limit zostanie przekroczony. Wytnij film w momencie uderzenia w ekran i zapisz go na karcie pamięci.
Przewiduj powtórzenie eksperymentu około 10 razy, aby uzyskać dokładną wartość główną. Podczas pracy z drobniejszymi cząstkami należy stosować zasadniczo tę samą procedurę z kilkoma zmianami. Załaduj od 50 do 100 kulek na złożony arkusz papieru i załaduj cząstki do komory z papieru.
Ciągnąc drążek na początku eksperymentu, ciągnij bardzo powoli, aby zapobiec upadkowi wszystkich cząstek w tym samym czasie. Podczas cięcia filmu rób to w taki sposób, aby widocznych było co najmniej 10 wyraźnie skupionych uderzeń. Przed oceną danych należy najpierw skalibrować oprogramowanie.
Załaduj klatkę cząstką o znanym rozmiarze uzyskaną podczas konfiguracji. Następnie policz liczbę pikseli o średnicy poziomej i podziel znaną odległość przez liczbę pikseli, aby uzyskać współczynnik konwersji, odległość na piksel. Pozioma jest łatwiejsza w użyciu ze względu na kontrast między cząstką a białym tłem.
Aby obliczyć prędkość uderzenia, należy ustawić punkt odniesienia ruchu na górze kuli 10 klatek przed punktem uderzenia i drugi punkt odniesienia jedną klatkę przed uderzeniem. Użyj liczby pikseli między dwoma punktami i współczynnika konwersji, aby obliczyć przebytą odległość. Następnie podziel odległość przez upływający czas między dziewięcioma klatkami, aby uzyskać prędkość uderzenia.
Aby obliczyć prędkość odbicia, użyj punktów odniesienia na górze kuli, jedną klatkę po uderzeniu i dziesięć klatek po uderzeniu. Na koniec oblicz współczynnik restytucji lub COR, jako stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia. Powtórz wszystkie te kroki, aby ocenić wszystkie nagrane filmy z testu upadku.
Cząstki szkła o średnicy od 100 mikronów do czterech milimetrów zostały zrzucone z początkowej wysokości 200 milimetrów na płytę podstawy ze stali nierdzewnej o grubości 20 milimetrów. Średnia wartość COR wynosiła około 0,9 dla cząstek o wielkości 700 mikronów lub większej. Wynik ten był niezależny od ciśnienia powietrza.
Dla cząstek o średnicy mniejszej niż 400 mikronów COR był prawie stały z wartością 0,9 w warunkach próżni. Pod ciśnieniem atmosferycznym współczynnik restytucji zmniejszał się wraz ze średnicą cząstek. Wyniki dotyczące prędkości uderzenia zależały od wielkości cząstki i ciśnienia atmosferycznego.
Drobne proszki były znacznie wolniejsze pod ciśnieniem atmosferycznym, podczas gdy ich prędkość uderzenia zmniejszała się tylko nieznacznie w warunkach próżni. Dane wykazały kilka wyjątkowych wartości odstających przy 700 mikronach, które mogły powstać w wyniku fałszywej kalibracji. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak mierzyć współczynnik restytucji w eksperymentach swobodnego spadania w warunkach próżni.
Po opanowaniu tę metodę można wykonać w półtorej godziny na 10 cząstek, jeśli zostanie odpowiednio zastosowana. Nie zapominaj, że praca ze szklaną butlą w warunkach próżni jest niezwykle niebezpieczna i że zawsze należy zachować środki ostrożności.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia układ doświadczalny zaprojektowany do pomiaru współczynnika restytucji dla zderzających się cząstek w warunkach próżni. Metoda ta ma na celu rozwiązanie problemów inżynieryjnych związanych z transportem i składowaniem ciał sypkich.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Fizyka
- Inżynieria
- Inżynieria materiałowa
Wprowadzenie
- Współczynnik restytucji określa utratę energii podczas zderzeń.
- Zrozumienie tego parametru jest kluczowe dla wielu zastosowań inżynieryjnych.
- Warunki próżni pozwalają na dokładne pomiary bez wpływów zewnętrznych.
- Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku proszków drobnoziarnistych.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody pomiaru współczynnika odbicia.
- Pogłębienie zrozumienia zachowania cząstek podczas kolizji.
- Dostarczenie spostrzeżeń możliwych do zastosowania w przemyśle inżynieryjnym.
Zastosowane metody
- Układ do swobodnego spadku w warunkach próżni.
- Pomiar prędkości uderzenia cząstek o rozmiarach mikrometrycznych.
- Prezentacja przeprowadzona przez studenta studiów doktoranckich w ramach projektu badawczego.
- Procedura obejmuje zdjęcie tulei komory próżniowej oraz górnej pokrywy.
Główne wyniki
- Układ umożliwia precyzyjny pomiar współczynnika restytucji.
- Wykazano możliwość zastosowania dla proszków drobnoziarnistych bez uprzedniego przyspieszania.
- Przyczynia się do rozwiązywania problemów inżynieryjnych związanych z ciałami ziarnistymi.
- Stanowi podstawę dla przyszłych badań nad dynamiką kolizji cząsteczek.
Wnioski
- Opracowana metoda jest skuteczna w pomiarach współczynników restytucji.
- Ma ona istotne znaczenie dla praktyk inżynieryjnych związanych z materiałami granularnymi.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodologii w celu szerszego zastosowania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Precyzyjny pomiar współczynnika odbicia w kontrolowanych warunkach wspomaga modelowanie prognostyczne zachowania cząstek podczas operacji z proszkami farmaceutycznymi, mieszania oraz produkcji tabletek. Metoda ta pozwala na redukcję ryzyka w opracowywaniu formulacji i procesów poprzez dostarczenie niezawodnych parametrów wejściowych do symulacji metodą elementów dyskretnych, wykorzystywanych przy skalowaniu procesu i projektowaniu urządzeń. Rozwiązuje ona kluczowy problem w charakteryzacji dynamiki proszków drobnoziarnistych, w której warunki atmosferyczne ograniczają osiągalne prędkości uderzenia.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów oddziaływań cząstka-cząstka oraz cząstka-ścianka, które są kluczowe dla zrozumienia właściwości przepływu i kohezji w systemach API oraz substancji pomocniczych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne współczynniki restytucji w próżni, co pozwala oddzielić wewnętrzne właściwości materiału od czynników zakłócających pochodzenia środowiskowego, takich jak wilgotność i opór powietrza.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe wyniki oparte na prędkości, które służą jako znormalizowane mierniki do porównywania zachowania ciał stałych w różnych formulacjach.
- Wartość operacyjna: Wspiera gotowość do analizy poprzez dostarczanie skalibrowanych protokołów obrazowania o wysokiej prędkości, które mają zastosowanie do cząstek w skali mikronowej, istotnych dla inhalacji i mikrofluidalnego dostarczania leków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia mechanistyczne ograniczanie ryzyka związanego z problemami przy skalowaniu procesów poprzez powiązanie dynamiki kolizji w mikroskali z zachowaniem proszków w makroskali podczas operacji napełniania, dozowania i transportu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość od wczesnej charakterystyki cząstek po produkcję przedkliniczną, dostarczając parametrów gotowych do zastosowania w metodzie DEM (metoda elementów dyskretnych) dla predykcyjnego modelowania procesów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejsza metoda stanowi narzędzie charakteryzacji wstępnej w procesie badawczym, dostarczając danych dla kolejnych etapów symulacji i optymalizacji procesów, szczególnie w przypadku formulacji zawierających proszki drobnoziarniste, w których zakłócenia środowiskowe obniżają wiarygodność danych.
- Biologia odkryć: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zachowania materiałów poprzez umożliwienie kontrolowanego pomiaru rozpraszania energii podczas kolizji, co jest kluczowym czynnikiem w przewidywaniu zbrylania, aglomeracji i zaburzeń przepływu.
- Przesiewanie: Dostarcza znormalizowanych, powtarzalnych pomiarów prędkości w próżni, zapewniając porównywalność w różnych zakresach wielkości cząstek i typach materiałów.
- Analityka: Umożliwia odczyt prędkości uderzenia i odbicia na podstawie śledzenia pikseli i kalibracji, co pozwala na obliczenie współczynnika restytucji jako bezwymiarowego, porównywalnego wyniku.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną, dostarczając zwalidowanych parametrów wejściowych dla modeli elementów dyskretnych wykorzystywanych do symulacji przetwarzania proszków w skali przemysłowej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę do charakteryzacji dowolnego systemu cząsteczkowego, ograniczając redundantne opracowywanie metod w różnych projektach i ośrodkach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną symulacji poprzez dostarczanie współczynników restytucji w izolacji środowiskowej, które odzwierciedlają rzeczywiste właściwości materiałów.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację dzięki zdefiniowanym poziomom próżni, ustawieniom kamery oraz mechanice uwalniania cząstek.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko na późnych etapach produkcji, umożliwiając wczesną identyfikację trybów awarii związanych z przepływem dzięki dokładnym danym wejściowym DEM.
- Wpływ na portfolio: Wspiera wybór formulacji z uwzględnieniem ryzyka oraz rozwój procesów poprzez ilościowe określenie zachowania mechanicznego, kluczowego dla jednorodności zawartości i dokładności dawkowania.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie szybkiej wideografii, manipulacji cząstkami oraz obsługi układów próżniowych.
- Zależne od dostępu do kompatybilnych z próżnią komór optycznych, skalibrowanych systemów obrazowania oraz narzędzi do manipulacji cząstkami.
- Konieczne jest uzgodnienie międzyzespołowe protokołów kalibracji i standardów pomiaru prędkości w celu zapewnienia spójności danych.
- Wymaga uwzględnienia adaptacji do różnych gęstości, kształtów i właściwości powierzchni cząstek przy rozszerzaniu zakresu poza standardowe szklane kule.
- Ograniczone przez fizyczne wymiary komory próżniowej oraz maksymalną osiągalną wysokość uderzenia w warunkach niskiego ciśnienia.
