Sviluppo di un apparato sperimentale per la misura del coefficiente di restituzione sotto vuoto Condizioni
29 marzo 2016
Il coefficiente di restituzione è un parametro che descrive la perdita di energia cinetica durante un urto. Qui, una configurazione caduta libera sotto vuoto è sviluppato per essere in grado di determinare il coefficiente di parametro restituzione per particelle nella gamma di micrometri con velocità alto impatto.
L'obiettivo generale di questa configurazione sperimentale è misurare il coefficiente di restituzione di particelle in collisione in condizioni di vuoto. Questo metodo può contribuire a risolvere problemi ingegneristici poiché il coefficiente di restituzione è presente in qualsiasi operazione ingegneristica, come il trasporto, la manipolazione e lo stoccaggio di solidi granulari nel settore ingegneristico. Il vantaggio principale di questo metodo è che può essere applicato a polveri fini in condizioni di vuoto senza accelerare la particella quando entra nella camera.
Sven Drucker, uno studente laureato del mio laboratorio, illustrerà la procedura. Lui lavora nell'ambito di un progetto chiamato Pardem. Per lavorare con particelle di qualsiasi dimensione, rimuovere prima la guaina sulla camera a vuoto e sollevare il coperchio superiore.
Quindi, selezionare la piastra di base con il materiale della parete desiderato e inserirla nella camera. Successivamente, ruotare lateralmente la parte inferiore della camera a vuoto e inserire con attenzione la piastra di base nella posizione corretta. Poi, utilizzando una pinzetta, posizionare esattamente una particella di dimensione nota al centro della piastra di base.
Quindi, regolare la posizione di una telecamera ad alta velocità montata su un treppiede in modo che la piastra di base si trovi nel quarto inferiore del campo visivo e mettere a fuoco la particella. Impostare la telecamera ad alta velocità per registrare 10.000 fotogrammi al secondo con una risoluzione di 528 per 396 pixel. Successivamente, registrare un breve video della particella a scopo di riferimento.
Non dimenticare di rimuovere la particella successivamente. Quando si lavora con particelle di 700 micron o più grossolane, regolare prima l'altezza della camera delle particelle in modo da raggiungere la velocità d'impatto desiderata. Misurare l'altezza utilizzando la scala fissata alla piastra di supporto.
Quindi, chiudere la camera delle particelle con la punta di una pipetta. Ora sollevare il coperchio superiore della camera a vuoto e inserire una singola sfera all'interno della camera delle particelle utilizzando una pinzetta. Questo esempio mostra una sfera solida.
Tuttavia, possono essere testate anche sfere riempite di liquido. Posizionare il coperchio superiore sulla parte inferiore della camera a vuoto e collegare il coperchio superiore alla parte inferiore della camera a vuoto mediante il manicotto. Indossare ora occhiali di protezione prima di generare il vuoto.
Utilizzando la pompa, evacuare la camera fino al raggiungimento della pressione desiderata. La pressione obiettivo in questa dimostrazione è 0,1 millibar. Successivamente, chiudere la valvola sul lato della camera e spegnere la pompa.
A questo punto, avviare la registrazione video. Durante la registrazione, aprire il foro della camera delle particelle per liberare la particella e, allo stesso tempo, tirare e ruotare l'asta collegata alla punta della pipetta. Questo eviterà problemi di stick-slip dovuti all'elevata frizione tra l'asta e l'anello sigillante.
Dopo l'impatto, interrompere immediatamente la registrazione. È possibile salvare solo un numero limitato di fotogrammi, e i primi vengono sovrascritti non appena si supera il limite. Tagliare il filmato attorno all'istante dell'impatto sullo schermo e salvarlo sulla scheda di memoria.
Prevedere di ripetere l'esperimento circa 10 volte per ottenere un valore medio accurato. Quando si lavora con particelle più fini, utilizzare sostanzialmente la stessa procedura con alcune modifiche. Caricare da 50 a 100 sfere su un foglio di carta piegato e introdurre le particelle nella camera dalla carta.
Quando si estrae il bastoncino all'inizio dell'esperimento, procedere molto lentamente per evitare che tutte le particelle cadano contemporaneamente. Quando si ritaglia il filmato, fare in modo che siano visibili almeno 10 impatti ben messi a fuoco. Prima di analizzare i dati, è necessario innanzitutto calibrare il software.
Caricare un fotogramma con la particella di dimensione nota ottenuta durante la configurazione. Quindi, contare il numero di pixel del diametro orizzontale e dividere la distanza nota per il numero di pixel per ottenere il fattore di conversione, ovvero la distanza per pixel. L'orientamento orizzontale è più facile da utilizzare a causa del contrasto tra la particella e lo sfondo bianco.
Per calcolare la velocità d'impatto, impostare un punto di riferimento del moto sulla sommità della sfera 10 fotogrammi prima del punto d'impatto e un secondo punto di riferimento un fotogramma prima dell'impatto. Utilizzare il numero di pixel tra i due punti e il fattore di conversione per calcolare la distanza percorsa. Successivamente, dividere la distanza per il tempo trascorso tra nove fotogrammi per ottenere la velocità d'impatto.
Per calcolare la velocità di rimbalzo, utilizzare i punti di riferimento nella parte superiore della sfera, un fotogramma dopo l'impatto e dieci fotogrammi dopo l'impatto. Infine, calcolare il coefficiente di restituzione, o COR, come rapporto tra la velocità di rimbalzo e la velocità d'impatto. Ripetere tutti questi passaggi per valutare tutti i video dei test di caduta registrati.
Particelle di vetro con diametri compresi tra 100 micron e quattro millimetri sono state lasciate cadere da un'altezza iniziale di 200 millimetri su una piastra di base in acciaio inossidabile con uno spessore di 20 millimetri. Il valore medio del coefficiente di restituzione (COR) era di circa 0,9 per particelle di 700 micron o superiori. Questo risultato era indipendente dalla pressione dell'aria.
Per particelle con un diametro inferiore a 400 micron, il coefficiente di restituzione (COR) era quasi costante, con un valore di 0,9 in condizioni di vuoto. A pressione atmosferica, il coefficiente di restituzione diminuiva all'aumentare del diametro delle particelle. I risultati relativi alla velocità d'impatto dipendevano dalle dimensioni della particella e dalla pressione atmosferica.
Le polveri fini erano molto più lente alla pressione atmosferica, mentre la loro velocità d'impatto diminuiva solo leggermente in condizioni di vuoto. I dati hanno mostrato alcuni valori anomali eccezionali a 700 micron che potrebbero essere stati causati da una calibrazione errata. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come misurare il coefficiente di restituzione in esperimenti di caduta libera in condizioni di vuoto.
Una volta padroneggiato, questo metodo può essere eseguito in un'ora e mezza per 10 particelle se applicato correttamente. Non dimenticare che lavorare con un cilindro di vetro in condizioni di vuoto è estremamente pericoloso e che si devono sempre adottare precauzioni adeguate.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Questo articolo presenta un apparato sperimentale progettato per misurare il coefficiente di restituzione di particelle in collisione in condizioni di vuoto. Il metodo mira ad affrontare le sfide ingegneristiche relative alla manipolazione e allo stoccaggio di solidi granulari.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Fisica
- Ingegneria
- Scienza dei materiali
Sfondo
- Il coefficiente di restituzione quantifica la perdita di energia durante le collisioni.
- Comprendere questo parametro è fondamentale per numerose applicazioni ingegneristiche.
- Le condizioni di vuoto permettono misurazioni accurate senza influenze esterne.
- Questo metodo è particolarmente utile per polveri fini.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo affidabile per misurare il coefficiente di restituzione.
- Migliorare la comprensione del comportamento delle particelle durante gli urti.
- Fornire indicazioni applicabili al settore ingegneristico.
Metodi Utilizzati
- Configurazione in caduta libera in condizioni di vuoto.
- Misurazione delle velocità d'impatto per particelle di dimensioni micrometriche.
- Dimostrazione effettuata da uno studente laureato nell'ambito di un progetto di ricerca.
- La procedura prevede la rimozione del manicotto e del coperchio superiore della camera a vuoto.
Risultati principali
- L'allestimento consente una misurazione precisa del coefficiente di restituzione.
- Dimostrata applicabilità a polveri fini senza accelerazione preliminare.
- Contribuisce alla risoluzione di problemi ingegneristici relativi ai solidi granulari.
- Fornisce un quadro di riferimento per futuri studi sulla dinamica degli urti tra particelle.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato è efficace per la misurazione dei coefficienti di restituzione.
- Ha significative implicazioni per le pratiche ingegneristiche che coinvolgono materiali granulari.
- La ricerca futura può basarsi su questa metodologia per applicazioni più ampie.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La misurazione accurata del coefficiente di restituzione in condizioni controllate supporta la modellizzazione predittiva del comportamento delle particelle nella manipolazione delle polveri farmaceutiche, nel mescolamento e nella produzione di compresse. Questo metodo consente di ridurre i rischi nello sviluppo di formulazioni e processi fornendo parametri di ingresso affidabili per simulazioni a elementi distinti utilizzate nel ridimensionamento e nella progettazione degli equipaggiamenti. Tale approccio affronta una lacuna fondamentale nella caratterizzazione della dinamica delle polveri fini, in cui le condizioni atmosferiche limitano le velocità d'impatto raggiungibili.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi delle interazioni tra particelle e tra particelle e pareti, fondamentali per comprendere le proprietà di flusso e la coesione nei sistemi di principi attivi e negli eccipienti.
- Valore operativo: Fornisce coefficienti di restituzione riproducibili in condizioni di vuoto, isolando le proprietà intrinseche del materiale da fattori ambientali perturbanti come l'umidità e la resistenza dell'aria.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera output quantitativi basati sulla velocità che fungono da metriche standardizzate per confrontare il comportamento di solidi in massa tra diverse formulazioni.
- Valore operativo: Favorisce la prontezza del saggio fornendo protocolli di imaging calibrati ed ad alta velocità, applicabili a particelle su scala micrometrica rilevanti per la somministrazione inalatoria e microfluidica di farmaci.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita la riduzione del rischio meccanicistico delle sfide di scala, collegando la dinamica delle collisioni su scala microscopica al comportamento della polvere su scala macroscopica nelle operazioni di riempimento, dosaggio e trasporto.
- Valore operativo: Permette la continuità dalla caratterizzazione iniziale delle particelle fino alla produzione preclinica, fornendo parametri pronti per la DEM (Discrete Element Method) utilizzabili nella modellizzazione predittiva dei processi.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si colloca nel flusso di lavoro di scoperta come strumento di caratterizzazione iniziale che fornisce informazioni per le fasi successive di simulazione e ottimizzazione del processo, in particolare per formulazioni che coinvolgono polveri fini in cui le interferenze ambientali compromettono la fedeltà dei dati.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi riguardo al comportamento dei materiali consentendo una misurazione controllata della dissipazione di energia durante le collisioni, un fattore chiave per prevedere l'agglomerazione, la formazione di croste e il malfunzionamento del flusso.
- Screening: Fornisce misurazioni della velocità standardizzate e riproducibili in condizioni di vuoto, garantendo la comparabilità tra diverse gamme di dimensioni delle particelle e tipi di materiali.
- Analisi: Fornisce letture della velocità d'impatto e di rimbalzo derivate dal tracciamento dei pixel e dalla calibrazione, permettendo il calcolo del coefficiente di restituzione come parametro adimensionale e confrontabile.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica fornendo parametri di ingresso validati per modelli a elementi distinti utilizzati nella simulazione della lavorazione industriale di polveri.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per la caratterizzazione di qualsiasi sistema particellato, riducendo lo sviluppo ridondante di metodi tra progetti e siti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva delle simulazioni fornendo coefficienti di restituzione isolati dall'ambiente che riflettono le vere proprietà dei materiali.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione attraverso livelli di vuoto definiti, impostazioni della telecamera e meccanismi di rilascio delle particelle.
- Valore strategico: Riduce il rischio di produzione in fase avanzata consentendo l'identificazione precoce di modalità di guasto legate al flusso mediante input accurati per la DEM.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la selezione ponderata del rischio delle formulazioni e il progresso del processo quantificando il comportamento meccanico fondamentale per l'uniformità del contenuto e la precisione del dosaggio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in videografia ad alta velocità, manipolazione di particelle e gestione di sistemi a vuoto.
- Presuppone l'accesso a camere ottiche compatibili con il vuoto, sistemi di imaging calibrati e strumenti per la manipolazione delle particelle.
- Necessita di un allineamento tra i diversi gruppi di lavoro sui protocolli di calibrazione e sugli standard di misurazione della velocità, al fine di garantire la coerenza dei dati.
- Comporta la necessità di adattamenti in caso di variazione della densità, della forma e delle proprietà superficiali delle particelle, qualora si voglia estendere l'applicazione oltre gli standard sferici in vetro.
- È limitato dai vincoli fisici delle dimensioni della camera a vuoto e dall'altezza d'impatto massima raggiungibile in condizioni di bassa pressione.
