Trójwymiarowy druk materiałów termoplastycznych w celu stworzenia zautomatyzowanych pomp strzykawkowych ze sterowaniem zwrotnym do zastosowań mikroprzepływowych

Metoda ta może pomóc w prowadzeniu badań w każdej dziedzinie wymagającej precyzyjnego obchodzenia się z cieczami, w tym w biologii molekularnej, komórkowej i systemowej, inżynierii chemicznej i mikrowytwarzaniu. Główną zaletą tego podejścia jest to, że jesteśmy w stanie wyprodukować tanie pompy strzykawkowe z regulacją ciśnienia. Ta technika powinna zaoszczędzić pieniądze w szerokim zakresie dyscyplin

Ta technika pokazuje, w jaki sposób możemy połączyć produkcję addytywną z elektroniką typu open source, aby stworzyć użyteczne oprzyrządowanie laboratoryjne. Aby rozpocząć, pobierz pliki projektowe STL z plików uzupełniających do tej publikacji. Przygotuj te pliki do druku, otwierając je w pakiecie oprogramowania dedykowanym do konwersji plików modelu STL na wykonywalne zestawy instrukcji dla używanej drukarki 3D.

Upewnij się, że używane jest odpowiednie oprogramowanie, ponieważ niektóre drukarki będą wymagały zastrzeżonego oprogramowania, podczas gdy inne mogą być w stanie drukować bezpośrednio z pliku STL. Teraz wydrukuj plastikowe elementy za pomocą akrylonitrylu-butadienu styrenowego z wysokiej jakości ustawieniem drukarki 3D. Jeśli używane są inne popularne materiały do druku 3D, takie jak kwas polimlekowy lub inne elastomery termoplastyczne, upewnij się, że końcowe właściwości mechaniczne są porównywalne.

Po zakończeniu odłącz wydrukowane części od platformy drukującej drukarki 3D. Usuń wydrukowaną konstrukcję nośną z gotowych części. Wygładź wydrukowane elementy, szlifując ostre krawędzie papierem ściernym.

Aby uzyskać najlepsze wyniki, użyj papieru ściernego o ziarnistości poniżej 220. Przed montażem upewnij się, że wszystkie elementy są gładkie i upewnij się, że wszystkie siedem części zostało wydrukowanych. Przymocuj silnik krokowy do pręta gwintowanego za pomocą elastycznego łącznika osi z wału silnika ze ustalającymi.

Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że obracanie wału silnika krokowego napędza pręt gwintowany bez poślizgu. Podłącz platformę strzykawki do złącza silnika, mocno wciskając kołki łączące platformy strzykawki w pasujące otwory na górze złącza silnika. Przymocuj dwie części, dokręcając cztery 16 milimetrów przez złącze silnika.

Teraz włóż dwa liniowe łożyska kulkowe i nakrętkę sześciokątną 0,8 milimetra w otwory znajdujące się na spodzie popychacza wózka. Dopasuj pręt gwintowany na złączu silnika przez nakrętkę sześciokątną 0.8 milimetra w popychaczu wózka. Następnie włóż dwa wałki liniowe przez popychacz w złączu silnika.

Teraz umieść dwie nakrętki sześciokątne w sześciokątnych przestrzeniach łącznika silnika, a następnie użyj dwóch o średnicy 16 milimetrów, aby dokręcić połączenia zabezpieczające wały liniowe przed przesuwaniem się. Włóż łożysko kulkowe do środkowego otworu ogranicznika końcowego. Połącz ogranicznik końcowy ze zmontowanymi komponentami.

Umieść dwie nakrętki sześciokątne w sześciokątnych przestrzeniach ogranicznika końcowego, a następnie użyj dwóch 16 milimetrów, aby dokręcić połączenia, aby przymocować ogranicznik końcowy do zespołu. Następnie przymocuj żeńskie złącze tłoka strzykawki do popychacza wózka za pomocą dwóch stalowych przeciwnakrętek i dwóch 16 milimetrów. Umieść 10-mililitrową strzykawkę na górze pompy.

Upewnij się, że główka tłoka jest wyrównana z wycięciem żeńskiego łącznika tłoka strzykawki i że górna część cylindra strzykawki jest zamocowana w szczelinie złącza silnika. Teraz włóż męskie złącze tłoka strzykawki do żeńskiego złącza tłoka strzykawki. Podłącz zacisk strzykawki do platformy strzykawki za pomocą dwóch nakrętek sześciokątnych i dwóch 35 milimetrów, upewniając się, że cylinder strzykawki jest zamocowany w szczelinie zacisku strzykawki.

Upewnij się, że między elementami męskimi i żeńskimi mocującymi tłok jest ściśle dopasowany. Przystąp do przygotowania urządzenia mikroprzepływowego zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Aby rozpocząć montaż systemu pompy strzykawkowej, należy usunąć 80% długości izolacji przewodu i ekranu z elektrycznego czujnika ciśnienia za pomocą brzytwy.

Zachowaj ostrożność podczas cięcia, aby upewnić się, że druty nie są zagrożone powyżej pożądanej długości. Po zdjęciu izolacji i ekranu podłącz przewody do męskich złączy prostokątnych. Stosując podobne podejście, usuń od jednego do dwóch centymetrów izolacji przewodu z przewodów silnika krokowego i podłącz przewody do męskich złączy prostokątnych.

Teraz przymocować strzykawkę po stronie wlotowej czujnika ciśnienia. Podłącz igłę dozującą w rozmiarze 22 po stronie wylotowej czujnika ciśnienia. Nasuń jeden koniec rurki o średnicy 0.51 centymetra na igłę dozującą o rozmiarze 22 przymocowaną do czujnika ciśnienia.

Nasuń drugi koniec rurki na igłę dozującą o rozmiarze 22, którą można podłączyć do urządzenia mikroprzepływowego. Następnie podłącz igłę do portu wlotowego urządzenia mikroprzepływowego. Podłącz port wylotowy urządzenia mikroprzepływowego do zbiornika na odpady za pomocą igły o rozmiarze 22 i rurki o średnicy 0.51 centymetra, podobnie jak przyłącze portu wlotowego.

Następnie zmontuj obwód elektroniczny na prototypowej płytce stykowej zgodnie ze schematem w protokole tekstowym. Połącz przewody z silnika krokowego ze sterownikiem silnika krokowego. Następnie podłącz przewody od czujnika ciśnienia i sterownika silnika krokowego do płytki stykowej.

Teraz połącz sygnał wyjściowy z płytki stykowej z pinem wejścia analogowego na mikrokontrolerze. Połącz piny wejściowe logiki ze sterownika silnika krokowego z pinami cyfrowymi na mikrokontrolerze. Wejście krokowe na sterowniku silnika krokowego jest połączone z modulowanym szerokością impulsu portem pinów cyfrowych na mikrokontrolerze oznaczonym znakiem tyldy.

Podłącz zasilacz do płytki stykowej, jak pokazano w tekście. Następnie ustaw zasilanie na 10 V dla płytki stykowej i sterownika silnika krokowego. Aby sterować pompami ciśnieniowymi strzykawki, najpierw otwórz zintegrowane środowisko programistyczne lub IDE dla mikrokontrolera typu open source.

Pobierz oprogramowanie Timer. h i ExcelStepper. h do katalogu bibliotek IDE mikrokontrolera.

Pobierz kod regulatora o nazwie Dual Pump PID Control.INO. Ten kod służy do sterowania systemem pompy strzykawkowej sterowanej sprzężeniem zwrotnym z dwiema pompami. Zaprogramuj kod kontrolera tak, aby pasował do przeprowadzanego eksperymentu.

Zmodyfikuj parametry kontrolne dla parametrów chronometrażu, aby dopasować je do żądanej odpowiedzi i czasu trwania eksperymentu. Skompiluj i prześlij kod do mikrokontrolera przed uruchomieniem eksperymentu. Włącz zasilanie systemu pompy strzykawkowej.

Na koniec ustaw napięcie na 10 woltów dla zasilania silnika krokowego. Poniżej przedstawiono reprezentatywne wyniki pokazujące, w jaki sposób można dostroić parametry sterowania. Modyfikacja współczynników proporcjonalnych, jak pokazano poniżej, prowadzi do różnych profili odpowiedzi na sygnały ciśnienia.

Modyfikacja współczynników całkowania i różniczkowego prowadzi również do zmian w profilach odpowiedzi. Parametry mogą być optymalizowane dla różnych projektów eksperymentalnych. Poniżej przedstawiono reprezentatywne wyniki pokazujące kontrolę i modulację profilu przepływu laminarnego w urządzeniu mikroprzepływowym.

Kontrolując ciśnienie wlotowe w dwóch portach wlotowych urządzenia mikroprzepływowego w kształcie litery Y, położenie interfejsu może być precyzyjnie kontrolowane za nim. Po tej procedurze można wykonać inne techniki, takie jak hodowla komórek i mikroskopia, aby odpowiedzieć na pytania związane z dynamiką regulacyjną sieci syntetycznych genów, fizjologią komórki i biologicznymi sieciami regulacyjnymi. Te systemy pomp strzykawkowych umożliwiły szybszy rozwój procedur mikroprzepływowych w naszej grupie laboratoryjnej.

Urządzenia te są niedrogim i efektywnym czasowo sposobem dla grup na kontrolowanie przepływu przez wiele różnych urządzeń mikroprzepływowych. Mamy nadzieję, że naukowcy z wielu dyscyplin będą mogli wykorzystać i rozszerzyć te pompy strzykawkowe z regulacją ciśnienia do swoich potrzeb mikroprzepływowych.