Ultraheli levitatsioon ja selle tööstuslikud rakendused
Ultraheli- / akustiline levitatsioon on tööstuslikult end tõestanud lahendus kerge ja tundlike materjalide kontaktivabaks kandmiseks ning proovide kontaktivabaks käsitsemiseks. Lugege lähemalt ultraheli levitatsioonist ning selle rakendustest tööstuses ja teaduses!
Ultraheli levitatsiooni rakendused
Akustiline levitatsioon on teaduslikult tõestatud ja tööstuses kasutusele võetud meetod materjalide kontaktivabaks käsitsemiseks ja proovide positsioneerimiseks. Ultraheli levitatsiooni kui kontaktivaba käsitsemismeetodit kasutatakse pinnatundlike ja õrnade töödeldavate detailide, nt vahvlite, mikrokiipide või õhukeste klaasplaatide käsitsemiseks ilma mehaanilise mõjuta. Tänu materjalide ja proovide kontaktivabale käsitsemisele on ultraheli levitatsiooni rakendatud tööstuslikes, teaduslikes ja analüütilistes rakendustes.
Tööstuses kasutatakse ultraheli levitatsiooni töökindla meetodina mikrokiipide ja muude väikeste õrnade objektide kontaktivabaks, anumavabaks töötlemiseks; need objektid on vastuvõtlikud kahjustustele isegi kerge füüsilise kontakti korral. Teine rakendusvaldkond on väga kõrge puhtusastmega materjalide või keemiliste reagentide käsitsemine, mida anum mõjutaks.
Polüpropüleenkuulide levitatsioonipositsioonid ühetelgses akustilises levitaatoris. Levitaator / sonotrood üleval, reflektor all (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(uuring ja pildid: © Andrade et al. 2018)
Keemias võivad rippuvad tilgad toimida miniatuursete reaktsiooninõudena, võimaldades teadlastel reagente kombineerida ja reaktsioone jälgida, vähendades samal ajal nõu seinte põhjustatud saastumist.
Materjaliteadlased kasutavad levitatsioonis hoitavaid proove aurumise, kristallumise ja osakeste tekke uurimiseks, analüütikud aga saavad rippuvaid proove uurida optiliste ja spektroskoopiliste meetoditega.
Spetsiaalsed akustilised käsitsemissüsteemid toetavad ka õrnade komponentide, sealhulgas ränivahvlite, mikrokiipide ja õhukese klaasi transporti väiksema mehaanilise kahjustuse riskiga.
Osakestega soomustatud vedelrobotite (Particle-armored liquid roBots, PB) jaoks pakub akustiline levitatsioon paljulubavat uurimissuunda: kapseldatud reagentide transportimine, tilkade kokkuviimine kontrollitud reaktsioonideks ning robotite ülekandmine töötlusjaamade vahel, minimeerides samal ajal kokkupuudet ümbritsevate pindadega. Lugege lähemalt osakestega soomustatud vedelrobotite akustilisest levitatsioonist!
- füüsikalistele jõududele tundlikud objektid (nt mikrokiibid)
- mittejuhtivad materjalid
- kõrge puhtusastmega materjalid
- keemilised reagendid
- bioloogilised, analüütilised proovid
- valgud kristallograafia jaoks
Ultraheli levitatsiooni tööpõhimõte
Akustiline levitatsioon tähendab ultrahelilainete rakendamist voolavale keskkonnale, tavaliselt gaasile (nt õhule). Kui ultrahelilaine levib läbi gaasi, tasakaalustab helilaine raskusjõudu – tulemusena võivad objektid toetuseta õhus hõljuda. Selline vabalt hõljuva objekti efekt helilaines eeldab seisulaine nähtust. Seisulaine tekib siis, kui kaks identset vastassuundadest tulevat lainet liituvad. Seetõttu kasutatakse akustilise levitatsiooni seadistuses ultraheli muundurit pikisuunaliste rõhulainete tekitamiseks ning vastaspoolel asuv reflektor peegeldab lained tagasi, nii et mõlemalt poolt tulev identne laine saab kattuda ja moodustada seisulaineid.
Väikese jäiga kera akustiline levitatsioon tasapinnalise seisulaine rõhusõlmes, mis on tekkinud muunduri/levitaatori ja reflektori vahel.
(uuring ja pildid: © Andrade et al. 2018)
Sõlmed ja paunad: Intensiivse ultraheli pikisuunaline rõhulaine võimaldab objektidel õhus kontaktivabalt hõljuda. Sellistel ultraheli seisulainetel on määratletud sõlmed. Sõlm on minimaalse rõhuga piirkond, paun aga on defineeritud kui maksimaalse rõhuga piirkond. Seisulaine sõlmed asuvad akustilise levitatsiooni keskmes.
Ultraheli levitaatorid töötavad nii, et seisulaineväli positsioneeritakse ultraheli sondi (st sonotroodi) kohale ja kasutatakse reflektorit.
Ultraheli levitatsiooni seadmed
Hielscher Ultrasonics on pikaajalise ja rikkaliku kogemusega kvaliteetsete ja suure jõudlusega ultrahelaseadmete projekteerimisel, tootmisel ja turustamisel. Akustiliseks levitatsiooniks pakub Hielscher kahte standardset tüüpi levitaatoreid:
- UP100H – 30kHz, 100 W levitaator
- UP400ST – 24kHz, 400W levitaator
- UIP500hdT – 20kHz, 500W levitaator
Ultraheli protsessor UP400St on kompaktne süsteem, kus muundur ja generaator on ühendatud vastupidavas korpuses. 500-vatise võimsusega levitaator UIP500hdT sisaldab eraldi muundurit ja generaatorit. IP64 kaitseklassiga muunduri tõttu sobib UIP500hdT ideaalselt paigaldamiseks nõudlikes keskkondades.
Ultraheli levitaatoreid saab paigaldada ühe seadmena või paralleelselt ning need suudavad töötada kiiretes ja suure läbilaskevõimega töötlusliinides.
Konkreetsete nõuete korral projekteerib ja toodab Hielscher Ultrasonics ka kohandatud ja patenteeritud levitaatoreid.
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Kirjandus / viited
- Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
- Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.
Hielscher akustiline levitaator UP100H hoiab vedelikutilka õhus sonotroodi ja reflektori vahel.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku mastaabini.