Ultraskaņas levitācija un tās rūpnieciskie pielietojumi
Ultraskaņas / akustiskā levitācija ir rūpnieciski pārbaudīts risinājums vieglu, jutīgu materiālu bezkontakta balstīšanai, kā arī paraugu bezkontakta pārvietošanai un apstrādei. Uzziniet vairāk par ultraskaņas levitāciju un tās pielietojumiem rūpniecībā un zinātnē!
Ultraskaņas levitācijas pielietojumi
Akustiskā levitācija ir zinātniski pierādīta un rūpniecībā ieviesta metode materiālu bezkontakta pārvietošanai un apstrādei un paraugu pozicionēšanai. Ultraskaņas levitāciju kā bezkontakta metodi izmanto, lai bez mehāniskas iedarbības manipulētu ar trauslām detaļām, kuru virsmas ir jutīgas, piemēram, pusvadītāju plāksnēm, mikroshēmām vai plānām stikla plāksnēm. Tā kā materiālu un paraugu pārvietošana un apstrāde notiek bez kontakta, ultraskaņas levitācija ir ieviesta rūpnieciskos, zinātniskos un analītiskos pielietojumos.
Rūpniecībā ultraskaņas levitāciju izmanto kā uzticamu metodi mikroshēmu un citu mazu, trauslu priekšmetu bezkontakta apstrādei bez tvertnēm, jo šos priekšmetus var bojāt pat viegls fizisks kontakts. Vēl viena pielietojuma joma ir ļoti augstas tīrības pakāpes materiālu vai ķīmisko reaģentu pārvietošana un apstrāde, kurus ietekmētu saskare ar tvertni.
Polipropilēna lodīšu levitācijas pozīcijas vienas ass akustiskajā levitatorā. Levitators / sonotrode augšpusē, atstarotājs apakšpusē (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(pētījums un attēli: © Andrade et al. 2018)
Ķīmijā suspendēti pilieni var kalpot kā miniatūri reakcijas trauki, ļaujot pētniekiem apvienot reaģentus un novērot reakcijas, vienlaikus samazinot piesārņojumu no trauku sienām.
Materiālzinātnieki izmanto levitējošus paraugus, lai pētītu iztvaikošanu, kristalizāciju un daļiņu veidošanos, savukārt analītiskās izpētes speciālisti var pētīt suspendētus paraugus ar optiskām un spektroskopiskām metodēm.
Specializētas akustiskās pārvietošanas sistēmas nodrošina arī trauslu komponentu, tostarp silīcija plākšņu, mikroshēmu un plāna stikla, transportēšanu ar mazāku mehānisku bojājumu risku.
Ar daļiņu bruņām pārklātu šķidro robotu (PBs) jomā akustiskā levitācija piedāvā daudzsološu pētniecības virzienu: iekapsulētu reaģentu transportēšanu, pilienu satuvināšanu kontrolētām reakcijām un robotu pārvietošanu starp apstrādes stacijām, vienlaikus līdz minimumam samazinot saskari ar apkārtējām virsmām. Lasiet vairāk par ar daļiņu bruņām pārklātu šķidro robotu akustisko levitāciju!
- pret fizisku spēku iedarbību jutīgi priekšmeti (piemēram, mikroshēmas)
- elektrību nevadoši materiāli
- augstas tīrības pakāpes materiāli
- ķīmiskie reaģenti
- bioloģiskie, analītiskie paraugi
- olbaltumvielas kristalogrāfijai
Ultraskaņas levitācijas darbības princips
Akustiskā levitācija apzīmē ultraskaņas viļņu izmantošanu plūstošā vidē, parasti gāzē (piemēram, gaisā). Ultraskaņas vilnim izplatoties gāzē, skaņas vilnis līdzsvaro gravitācijas spēku – tā rezultātā priekšmeti var karāties gaisā bez balsta. Šim efektam, kad priekšmets brīvi karājas skaņas vilnī, ir nepieciešama stāvviļņa parādība. Stāvvilnis veidojas, kad savstarpēji pārklājas divi identiski viļņi, kas izplatās pretējos virzienos. Tāpēc akustiskās levitācijas iekārtā izmanto ultraskaņas pārveidotāju, lai radītu gareniskus spiediena viļņus, un atstarotājs otrā pusē atstaro viļņus, lai identiskie viļņi no abām pusēm varētu pārklāties un veidot stāvviļņus.
Mazas, stingras lodītes akustiskā levitācija plakana stāvviļņa spiediena mezglā, kas izveidots starp pārveidotāju/levitatoru un atstarotāju.
(pētījums un attēli: © Andrade et al. 2018)
Mezgli un blīzumi: Intensīvas ultraskaņas gareniskais spiediena vilnis ļauj priekšmetiem karāties gaisā bez kontakta. Šādiem ultraskaņas stāvviļņiem ir noteikti mezgli. Mezgls ir minimāla spiediena apgabals, savukārt blīzums ir definēts kā maksimāla spiediena apgabals. Stāvviļņa mezgli ir akustiskās levitācijas pamatā.
Ultraskaņas levitatori darbojas, izveidojot stāvviļņu lauku virs ultraskaņas zondes (t. i., sonotrodes) un izmantojot atstarotāju.
Ultraskaņas levitācijas iekārtas
Hielscher Ultrasonics ir ilggadēja un plaša pieredze augstas kvalitātes, augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtu projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā. Akustiskajai levitācijai Hielscher piedāvā divus standarta levitatoru tipus:
- UP100H – 30kHz, 100 W levitators
- UP400ST – 24kHz, 400W levitators
- UIP500hdT – 20kHz, 500W levitators
Ultraskaņas procesors UP400St ir kompakta sistēma, kurā pārveidotājs un ģenerators ir apvienoti izturīgā korpusā. Levitatoram UIP500hdT ar 500 vatu jaudu ir atsevišķs pārveidotājs un ģenerators. Pateicoties pārveidotājam ar IP64 aizsardzības pakāpi, UIP500hdT ir ideāli piemērots uzstādīšanai vidēs ar augstām prasībām.
Ultraskaņas levitatorus var uzstādīt atsevišķi vai paralēli, un tie spēj darboties ātrdarbīgās apstrādes līnijās ar lielu caurlaides spēju.
Īpašām prasībām Hielscher Ultrasonics projektē un ražo arī individuāli pielāgotus un ekskluzīvas konstrukcijas levitatorus.
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra / Atsauces
- 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 akustiskais levitators UP100H tur šķidruma pilienu gaisā starp sonotrodi un atstarotāju.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.