マイクロディスペンシング

マイクロディスペンシングは、1 マイクロリットル未満の量で液体媒体の投与量を生成する技術です。ほぼすべての技術分野で小型化が進む中、産業、開発、研究施設には絶えず課題が生じています。マイクロディスペンシングは、その課題の 1 つです。接着剤、液体、油、グリース、その他さまざまな媒体を、短いサイクル時間で、確実かつ正確に投与量と配置でディスペンシングする必要があります。接着剤、試薬、その他の物質などの液体の正確な位置と量は、医療機器の全体的な品質に大きな影響を与えます。いくつかの例を次に示します。

• 50ピコリットルという少量のマイクロドージングシステム
• 接着剤や、針やその他の表面をシリコンでコーティングするためのスプレーシステムに使用する容積測定システム

マイクロディスペンシングは、オンデマンドソーダフレーバー（コカコーラフリースタイルやペプシスパイア）、インクジェット印刷、3D印刷など、医療以外の用途にも使用されています。

ディスペンシング技術には、従来の接触ディスペンシングと非接触ディスペンシングの 2 つの基本的なタイプがあります。

接触ディスペンシングでは、滴はノズルの出口で形成され、滴がノズル上にある間に接触によって堆積されます。この技術は、大きな容器に保存されている媒体を少量に分割したいという要望と同じくらい古いものです。この良い例は、チューブで接着剤を塗布することです。接着剤を塗布するには、チューブの先端と接着剤のビーズを転送する部品との接触が必要です。この方法には欠点があります。

• ゆっくりと分配する
• 部品に触れる必要がある
• 部品が損傷している可能性があります
• 接着剤は糸を形成する
• 接着剤が予想された場所にない
• 接着剤の量を再現することは難しい

これらすべての欠点にもかかわらず、接触式ディスペンシングは、以下の理由から、今日でも自動化プロセスの大半で使用されています。

• 非接触ディスペンシングシステムに関する知識不足
• 非接触ディスペンシングシステムを製造するメーカーは少ない
• ディスペンシングエリアに直接アクセスできない（例：アンダーカット）
• 接触せずに媒体を分配することはできない
• 培地へのストレスのない分注が可能
• 特にビーズディスペンシングにおいてより正確なディスペンシング
• ほとんどの場合、掃除が簡単

ギアポンプ

• 高周波脈動
• 高性能
• 常にバルブ
• 固形物は不可

圧力時間システム

• 多くのコンポーネント
• 量と制御の実際的な評価
• 追加。電源: 空気
• 流量は圧力、時間、温度に依存する

非接触式ディスペンシングでは、滴はノズルの先端で形成されますが、ターゲット領域から十分離れているため、滴はノズルに当たる前にノズルから離れます。これも、チューブから液体を噴出させるのと同じくらい古い、非常に古い技術です。

ほぼすべての生産分野でサイクルタイムと精度に関する要件が高まっているため、非接触ディスペンシングの重要性はますます高まっています。その良い例として、プリント回路基板や基板への非常に小さな電子部品 (SMD 部品) の取り付けが挙げられます。この場合、部品キャリアを 1 つの平面に配置するだけで済みます。その後は、接着剤を非接触で移すことができます。次の例は、非接触ディスペンシングの利点を示しています。

• 部品への送り動作の削除
• 接着剤の排出による時間節約
• 部品との接触なし（損傷なし）
• 部品の形状や表面構造に関係なく、接着剤の形状を均一に広げます。

非接触型ディスペンシングは、次の 2 つの方法に分けられます。

• ジェット形成ディスペンシング
• ダイナミックドロップディスペンシング

ジェット形成ディスペンシングは、ノズル出口での媒体の流速が十分に速く、ノズルからの流体の分離に対する重力と表面張力の影響が二次的な重要性しかない場合に発生します。この状態はウェーバー数によって特徴付けられます。

${\displaystyle \mathrm {We} ={\frac {\rho v^{2}D}{\sigma }}}$

どこ

液滴形成とジェット形成の物理的な境界線は、ウェーバー数 8 付近です。この時点で、流動媒体の動圧が液滴の表面張力による圧力を超え、液滴がノズルに付着します。この遷移段階は、水栓で徐々に流量を増やし、滴下状態から連続した水ジェットが形成されるまで続けることで実証できます。ただし、この場合のウェーバー数は、ノズルのジェット出口条件のため、明らかに 8 を超えています。

ウェーバー数を使用すると、ジェット形成条件における質量流量の理論的な下限を見つけることができます。実際のアプリケーションでは、安全な分配プロセスを保証するために、実際のウェーバー数は 20 から 50 の間で選択する必要があります。

ニュートン流体挙動を示す流体のノズル内の流体流速の計算推定については、ハーゲン・ポアズイユの法則に従った毛細管流体流の式が証明されています。

${\displaystyle Q={\frac {\Delta P\pi r^{4}}{8\mu L}}}$

ノズル出口での流体の霧化を避けるためには、ノズル内の流体の流れは層流でなければなりません。これは、ノズルのレイノルズ数(Re) がノズルの臨界レイノルズ数よりも小さい場合に当てはまります。

${\displaystyle Re<Re_{crit}}$

ノズルのレイノルズ数:

${\displaystyle Re={\frac {\rho vD}{\mu }}}$

ノズルの臨界レイノルズ数:

${\displaystyle 1800\lessapprox Re_{crit}\lessapprox 2400}$

したがって、ジェット形成吐出の理論的な範囲は、下限がウェーバー数で、上限が臨界レイノルズ数で囲まれます。実際の用途では、流体ジェットの運動エネルギーが高いことは望ましくありません。ジェットが破裂して、ターゲット ポイントの周囲に小さな液滴が飛び散る可能性があるためです。したがって、ジェット形成吐出システムは通常、ウェーバー数が低い領域で操作されます。

実際には、添加剤を含む流体を使用すると、非ニュートン性（チキソトロピー性）の流動挙動を示し、ノズルを通過する際の粘度が変化するため、ウェーバー数の計算はより複雑になります。

動的液滴ディスペンシングは、液体媒体の静圧が流体ジェットを形成するのに不十分なため、動的プロセスを通じてノズル出口から液滴が分離されることを特徴とする。

よく知られている例としては、インクジェット印刷が​​あります。このアプリケーションでは、隣接するノズルを備えた小さなディスペンシングチャンバーの容積が短いインパルスによって減少し、それによってインクがノズルから噴射されます。ノズルチャンバー、ノズル、およびインクリザーバーは、間にバルブを介さずに流体的に接続されます。ディスペンシングプロセス中、媒体の一部は逆方向（リザーバーに戻る）にも流れます。ノズル出口の流体の表面張力により、ディスペンシングチャンバーが再び満たされたときに空気が吸い込まれ、流体がノズルから出るのを防ぎます。このプロセスの原理は、低粘度の流体にのみ有効であり、この原理は高流体圧力には適用できません。

インクジェット システムには、次のような固有の特性があります。

• 非常に小さな一滴の量を実現可能（8ピコリットル）
• 高い吐出周波数を実現可能（数kHz）
• 大量生産コストが低い
• 特定の低粘度媒体のみ吐出可能（揮発性媒体は不可）
• 基本的に漏れ防止ではない

工業生産の場合、ほとんどの用途において、インクジェット システムの吐出量と粘度スペクトルの範囲は小さすぎます。これらの生産分野では、代わりに高動圧のタペット ドライブを備えた特別に設計されたバルブが使用されます。これらのマイクロディスペンシング システムには、次の特性があります。

• 1滴あたりの容量は10～200ナノリットル
• 吐出周波数は最大100Hz
• 吐出精度は1%未満
• 媒体粘度は最大200Pa·s（チキソトロピー性）

• この記事はmusashi-engineering.deの資料を使用しています