פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק
March 29th, 2016
מקדם שבת הוא פרמטר המתאר את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך התנגשות. הנה, התקנת נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותח כדי להיות מסוגל לקבוע את מקדם פרמטר שבת עבור חלקיקים בטווח מיקרומטר עם מהירויות מרשימות.
המטרה הכוללת של מערך ניסוי זה היא למדוד את מקדם ההשבה של חלקיקים מתנגשים בתנאי ואקום. שיטה זו יכולה לתרום לפתרון בעיות הנדסיות שכן מקדם ההשבה קיים בכל פעולה הנדסית כגון הובלה, טיפול, אחסון של מוצקים גרגירים בתעשיית ההנדסה. היתרון העיקרי בשיטה זו הוא שניתן למרוח אותה על אבקות עדינות בתנאי ואקום מבלי להאיץ את החלקיק כשהוא נכנס לתא.
סוון דרוקר, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי ידגים את ההליך. הוא עובד במסגרת פרויקט בשם Pardem. לעבודה עם חלקיקים בכל גודל, הסר תחילה את השרוול מעל תא הוואקום והרם את המכסה העליון.
לאחר מכן, בחר את לוחית הבסיס עם חומר הקיר הרצוי לתוך החדר. לאחר מכן, סובב את החלק התחתון של תא הוואקום הצידה והחלק בזהירות את לוחית הבסיס למקומה. לאחר מכן, בעזרת פינצטה, הניחו בדיוק חלקיק אחד בגודל ידוע במרכז לוחית הבסיס.
לאחר מכן, התאם את המיקום של מצלמת וידאו מהירה המותקנת על חצובה כך שלוחית הבסיס תהיה ברבע הנמוך ביותר של שדה הראייה והמיקוד יהיה על החלקיק. הגדר את המצלמה המהירה להקליט 10,000 פריימים לשנייה ברזולוציה של 528 על 396 פיקסלים. לאחר מכן, צלם סרטון קצר של החלקיק למטרות התייחסות.
אל תשכח להסיר את החלקיק לאחר מכן. בעבודה עם חלקיקים בגודל 700 מיקרון ומעלה, התאם תחילה את גובה תא החלקיקים כך שתגיע למהירות הפגיעה הרצויה. מדוד את הגובה באמצעות הסולם המחובר ללוחית האחיזה.
לאחר מכן, סגור את תא החלקיקים עם קצה פיפט. כעת, הרם את המכסה העליון של תא הוואקום והניח כדור אחד בודד בתוך תא החלקיקים באמצעות פינצטה. דוגמה זו מציגה כדור מוצק.
עם זאת, ניתן לבדוק גם כדורים מלאים בנוזל. הנח את המכסה העליון על החלק התחתון של תא הוואקום וחבר את המכסה העליון ואת החלק התחתון של תא הוואקום עם השרוול. כעת, הרכיבו משקפי מגן לפני יצירת הוואקום.
בעזרת המשאבה יש לפנות את החדר עד לקבלת הלחץ הרצוי. לחץ היעד בהדגמה זו הוא 0.1 מיליבר. לאחר מכן, סגור את השסתום בצד החדר וכבה את המשאבה.
בשלב זה, התחל את הקלטת הווידאו. בזמן ההקלטה, פתח את החור של תא החלקיקים כדי לשחרר את החלקיק, ובמקביל משוך וסובב את המקל המחובר לקצה הפיפט. זה ימנע בעיות החלקה של המקל עקב חיכוך גבוה בין המקל לטבעת האטומה.
לאחר התרחשות הפגיעה, הפסק מיד את ההקלטה. ניתן לשמור רק מספר מוגבל של מסגרות, והראשונות נכתבות ברגע שחורגים מהמגבלה. גזור את הסרט סביב רגע הפגיעה במסך ושמור אותו בכרטיס הזיכרון.
צפו לחזור על הניסוי כ-10 פעמים לקבלת ערך עיקרי מדויק. כשאתה עובד עם חלקיקים עדינים יותר, השתמש בעצם באותו הליך עם כמה שינויים. טען 50 עד 100 כדורים על דף נייר מקופל וטען את החלקיקים לתוך התא מהנייר.
כאשר מושכים את המקל בתחילת החוויה, משוך לאט מאוד כדי למנוע מכל החלקיקים ליפול בו זמנית. בעת חיתוך הסרט, עשה זאת בצורה כזו שלפחות 10 פגיעות ממוקדות בבירור ייראו לעין. לפני הערכת הנתונים, ראשית יש צורך לכייל את התוכנה.
טען מסגרת עם החלקיק בגודל הידוע שהתקבל במהלך ההתקנה. לאחר מכן, ספרו את מספר הפיקסלים בקוטר האופקי וחלקו את המרחק הידוע במספר הפיקסלים כדי לקבל את מקדם ההמרה, מרחק לפיקסל. האופקי קל יותר לשימוש בגלל הניגודיות בין החלקיק לרקע הלבן.
כדי לחשב את מהירות הפגיעה, הגדר נקודת ייחוס של תנועה בחלק העליון של הכדור 10 פריימים לפני נקודת הפגיעה ונקודת ייחוס שנייה פריים אחד לפני הפגיעה. השתמש במספר הפיקסלים בין שתי הנקודות ובגורם ההמרה כדי לחשב את מרחק הנסיעה. לאחר מכן, חלקו את המרחק בזמן שחלף בין תשע פריימים כדי לקבל את מהירות הפגיעה.
כדי לחשב את מהירות הריבאונד, השתמש בנקודות ייחוס בחלק העליון של הכדור, מסגרת אחת לאחר הפגיעה ועשר פריימים לאחר הפגיעה. לבסוף, חשב את מקדם ההחזרה, או COR, כיחס בין מהירות הריבאונד למהירות הפגיעה. חזור על כל השלבים הללו כדי להעריך את כל סרטוני בדיקת הנפילה המוקלטים.
חלקיקי זכוכית בקוטר של 100 מיקרון עד ארבעה מילימטרים הוטלו מגובה התחלתי של 200 מילימטרים על לוח בסיס נירוסטה בעובי של 20 מילימטרים. הערך הממוצע של ה-COR היה כ-0.9 עבור חלקיקים בגודל 700 מיקרון ומעלה. תוצאה זו הייתה בלתי תלויה בלחץ האוויר.
עבור חלקיקים בקוטר של פחות מ-400 מיקרון, ה-COR היה כמעט קבוע עם ערך של 0.9 בתנאי ואקום. בלחץ אטמוספרי, מקדם ההשבה ירד עם קוטר החלקיקים. התוצאות עבור מהירות הפגיעה היו תלויות בגודל החלקיק ובלחץ האטמוספרי.
אבקות עדינות היו איטיות בהרבה בלחץ אטמוספרי, בעוד שמהירות הפגיעה שלהן פחתה רק במעט בתנאי ואקום. הנתונים הראו כמה חריגים יוצאי דופן ב-700 מיקרון שייתכן שנוצרו על ידי כיול שגוי. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד למדוד את מקדם ההשבה בניסויי נפילה חופשית בתנאי ואקום.
לאחר שליטה, ניתן לבצע שיטה זו תוך שעה וחצי למשך 10 חלקיקים אם היא מיושמת כראוי. אל תשכח שעבודה עם גליל זכוכית בתנאי ואקום היא מסוכנת ביותר, וכי יש לנקוט תמיד באמצעי זהירות.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מאמר זה מציג מערך ניסוי שנועד למדוד את מקדם ההחזר עבור חלקיקים מתנגשים בתנאי ואקום. השיטה שואפת להתמודד עם אתגרים הנדסיים הקשורים לטיפול ואחסון של חומרים מוצקים גרגירים.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- פיזיקה
- הנדסה
- מדע החומרים
רקע
- מקדם ההחזר מכמת את אובדן האנרגיה במהלך התנגשויות.
- הבנת פרמטר זה חיונית ליישומים הנדסיים שונים.
- תנאי ואקום מאפשרים מדידות מדויקות ללא השפעות חיצוניות.
- שיטה זו מועילה במיוחד לאבקות עדינות.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה אמינה למדידת מקדם ההחזר.
- להעמיק את ההבנה של התנהגות חלקיקים במהלך התנגשויות.
- לספק תובנות שימושיות לתעשייה ההנדסית.
שיטות ששימשו
- התקן נפילה חופשית בתנאי ואקום.
- מדידת מהירויות פגיעה לחלקיקים בגודל מיקרומטר.
- הדגמה על ידי סטודנט לתואר שני כחלק מפרויקט מחקר.
- הנוהל כולל הסרת חלק המעטפת וכיסוי העליון של תא הוואקום.
תוצאות עיקריות
- ההתקן מאפשר מדידה מדויקת של מקדם ההחזר.
- הוכחה ליישומיות לאבקות עדינות ללא האצה מוקדמת.
- תורם לפיתרון בעיות הנדסיות הקשורות לחומרים גרגיריים.
- מספק מסגרת למחקרים עתידיים בדינמיקת התנגשויות חלקיקים.
מסקנות
- השיטה שפותחה יעילה למדידת מקדמי החזר.
- יש לה השלכות משמעותיות לפרקטיקות הנדסיות המעורבות בחומרים גרגיריים.
- מחקר עתידי יכול לבנות על מתודולוגיה זו ליישום רחב יותר.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Accurate measurement of the coefficient of restitution under controlled conditions supports predictive modeling of particulate behavior in pharmaceutical powder handling, blending, and tablet manufacturing. This method enables de-risking of formulation and process development by providing reliable input parameters for discrete element simulations used in scale-up and equipment design. It addresses a key gap in characterizing fine powder dynamics where atmospheric conditions limit achievable impact velocities.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of particle-particle and particle-wall interaction mechanics critical for understanding flow properties and cohesion in API and excipient systems.
- Operational Value: Provides reproducible restitution coefficients under vacuum to isolate intrinsic material properties from environmental confounders like humidity and air drag.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative velocity-based outputs that serve as standardized metrics for comparing bulk solid behavior across formulations.
- Operational Value: Supports assay readiness by delivering calibrated, high-speed imaging protocols applicable to micron-scale particles relevant to inhalation and microfluidic drug delivery.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking of scale-up challenges by linking microscale collision dynamics to macroscale powder behavior in filling, dosing, and transport operations.
- Operational Value: Enables continuity from early particle characterization through preclinical manufacturing by supplying DEM-ready parameters for predictive process modeling.
Pipeline & Workflow Integration
This method positions itself in the discovery workflow as a front-end characterization tool that informs downstream simulation and process optimization stages, particularly for formulations involving fine powders where environmental interference compromises data fidelity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding material behavior by enabling controlled measurement of energy dissipation during collisions, a key factor in predicting caking, agglomeration, and flow failure.
- Screening: Delivers assay-standardized, reproducible velocity measurements under vacuum, ensuring comparability across particle size ranges and material types.
- Analytics: Provides impact and rebound velocity readouts derived from pixel-tracking and calibration, enabling calculation of the coefficient of restitution as a dimensionless, comparable output.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by supplying validated input parameters for discrete element models used to simulate industrial-scale powder processing.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for characterizing any particulate system, reducing redundant method development across projects and sites.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in simulations by providing environmentally isolated restitution coefficients that reflect true material properties.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through defined vacuum levels, camera settings, and particle release mechanics.
- Strategic Value: Reduces late-stage manufacturing risk by enabling early identification of flow-related failure modes through accurate DEM inputs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted formulation selection and process advancement by quantifying mechanical behavior critical to content uniformity and dose accuracy.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-speed videography, particle handling, and vacuum system operation.
- Depends on access to vacuum-compatible optical chambers, calibrated imaging systems, and particle manipulation tools.
- Necessitates cross-team alignment on calibration protocols and velocity measurement standards to ensure data consistency.
- Involves adaptation considerations for varying particle densities, shapes, and surface properties when extending beyond spherical glass standards.
- Limited by the physical constraints of the vacuum chamber size and the maximum achievable impact height under low-pressure conditions.
