Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni
March 29th, 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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia eksperymentalne urządzenie zaprojektowane do pomiaru współczynnika odbijania dla cząstek kolidujących w warunkach próżni. Metoda ma na celu rozwiązanie wyzwań inżynieryjnych związanych z obsługą i przechowywaniem granulatów.
Kluczowe elementy badań
Dziedzina nauki
- Fizyka
- Inżynieria
- Nauka o materiałach
Tło
- Współczynnik odbijania opisuje stratę energii podczas kolizji.
- Rozumienie tego parametru jest kluczowe dla różnych zastosowań inżynieryjnych.
- Warunki próżniowe pozwalają na dokładne pomiary bez wpływu czynników zewnętrznych.
- Ta metoda jest szczególnie przydatna dla drobnych proszków.
Cel badań
- Rozwój niezawodnej metody pomiaru współczynnika odbijania.
- Poprawa rozumienia zachowania cząstek podczas kolizji.
- Dostarczenie informacji przydatnych dla przemysłu inżynieryjnego.
Stosowane metody
- Ustawienia swobodnego spadania w warunkach próżni.
- Pomiar prędkości uderzenia dla cząstek wielkości mikrometrów.
- Demonstracja przez studenta magisterskiego jako część projektu badawczego.
- Procedura polega na zdjęciu rękawa komory próżniowej i górnej pokrywy.
Główne wyniki
- Ustawienie umożliwia precyzyjne pomiary współczynnika odbijania.
- Wykazano zastosowanie do drobnych proszków bez wstępnego przyspieszenia.
- Wspomaga rozwiązanie problemów inżynieryjnych związanych z granulatami.
- Dostarcza ram dla przyszłych badań w dziedzinie dynamiki kolizji cząstek.
Wnioski
- Rozwinięta metoda jest skuteczna w pomiarze współczynników odbijania.
- Ma znaczące implikacje dla praktyk inżynieryjnych związanych z materiałami granulowanymi.
- Przyszły badania mogą wykorzystywać tę metodologię do szerszych zastosowań.
Często zadawane pytania
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.
