Spin Coater V1 (gandrīz analogs): 9 soļi (ar attēliem)

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Ne visas iekārtas ir paredzētas ilgmūžībai, es esmu students/pētnieks, kurš pēta plānās plēves materiālus saules tehnoloģijai. Vienu no manis atkarīgajām iekārtām sauc par centrifūgas pārklājumu. Šis ir instruments, ko izmanto, lai no šķidra šķīduma vai prekursora izgatavotu materiāla plānas plēves. Šīs plānās plēves var ievietot vairākās ierīcēs, piemēram, saules paneļu šūnās vai gaismas diodēs.

Manā universitātē mums bija daudz problēmu ar pieejamākiem komerciāliem produktiem, kas ir pieejami par dažiem tūkstošiem dolāru. Šie komerciālie centrifūgas pārklājumi izmanto vakuuma patronu, lai noturētu paraugus, un radušās problēmas ietvēra aizturētus motorus, aizsērējušus vakuuma patronas, smēķēšanas kondensatorus, kas cita starpā ietekmēja atgriezenisko saiti, uz kuru balstījās ātruma kontrole. Es nezinu, kādas problēmas ir bijušas katrai pētniecības grupai, taču es zinu, ka kopumā vismaz viens ir bijis labots vai gaidījis, kad to varēs labot.

Dizains, ar kuru es dalos, ir vienkāršs, sākotnēji paraugu uzglabāšanai vakuuma patronas vietā tika izmantota abpusēja lente, vēlāk tā tika atjaunināta uz vieglāk lietojamu dizainu (sk. 6. darbību). Tas ir ekspluatēts vairāk nekā gadu vieglā lietošanā. Nav bijis nekādu problēmu, izņemot nolietojušos releju (uzstādot tas nebija jauns relejs).

Projekts galvenokārt ir izgatavots no atrastām detaļām, piemēram, motora ar strāvas nominālo vērtību 1 "leer" (500 mA), betona, celtniecības kokmateriāliem un dažām izglābtām elektroniskām sastāvdaļām.

Piegādes

Es ceru, ka ikviens, kurš mēģinās šo projektu, radīs izmaiņas, tāpēc šis ir nepilnīgs saraksts ar projektam nepieciešamo.

Kodols:

Līdzstrāvas motors, kas spēj ne mazāk kā 4000 apgr./min

Patrona izgatavota izvēlētajam motoram (apspriests vēlāk)

Palāta:

Apaļa plastmasas vanna (es izmantoju jogurta vannu)

Bieza plastmasa vai alternatīva vannas dibena izklāšanai

Papīra dvieli

Lente

Stiprinājums:

38x228 mm priedes griezums (parasti izmanto spārēm jumta segumā)

30 mm gara eņģe

Gumija vai cietas putas (motora stiprinājums)

M6 skrūve ar skrūvgriezi piemērotu galvu

Uzgrieznis M6

6 mm mazgātājs

Pamatne un balstiekārta:

Smaga pamatne (es izmantoju pēc izmēra sagrieztu betona bloku)

M6 vītņots stienis

9x M6 uzgriežņi vītņotajam stienim

3x garas atsperes 8 mm diametrā

12x 6 mm paplāksnes

Vadības pamati:

Projekta kaste (es izmantoju saldējuma vannu, tas ir labs attaisnojums ēst saldējumu)

12 V barošanas avots (es izmantoju 2, lai motors varētu būt no atsevišķa avota)

1x motora taisngriežu diodes

2 pakāpju taimeris:

2x n-kanālu MOSFET (piemēram, IRF540)

2x 47 uF vāciņš alumīnijs 35V

2x B500k katls ar dubultu slaidu

200K rezistors

10K rezistors

2x taisngriežu diodes relejiem

Īslaicīgs spiedpogas kontakts

Relejs SPST (taimera iedarbināšana/apturēšana)

Relejs DPDT (taimera ātrums 1/ātruma 2 pāreja)

PWM ķēde:

1x NE555 taimeris

1x 1k rezistors

2x 10nC kondensatori

1x n-kanālu MOSFET (piemēram, IRF540)

1x radiators MOSFET

1x silikona izolācijas mazgātājs radiatoram

www.mantech.co.za/ProductInfo.aspx?Item=14…

2x 10k podi (darba cikls)

1x taisngriežu diodes relejiem

Motora ātruma pārbaude:

Ideāli:

optiskais tahometrs.

Alternatīva:

Lente

Plāna stieple, piemēram, ciets priekšmets (piemēram, stieple, zobu bakstāmais, saspraude)

Dators ar instalētu "Audacity"

1. solis: Vai jums ir piemērots motors?

Lielākajai daļai centrifugēšanas pārklājumu jāstrādā ātruma diapazonā no 500 līdz 6000 apgr./min. Manam darbam kā lielākais importa ātrums ir nepieciešami 2000 un 4000 apgr./min., Tāpēc es varētu iztikt ar līdzstrāvas motoru, kas man gulēja un strādāja diapazonā no 1100 līdz 4500 apgr./min., Mans motors var darboties lēnāk, lai gan lēnāks ātrums ir mazāk ticams, jo motora pretestība.

Atrodiet piemērotu motoru un barošanas avotu, ja jums ir 12 V motors. Atbilstoši motora vajadzīgajam spriegumam un barošanas avota strāvai ideālā gadījumā vajadzētu būt par 20% vairāk, nekā to prasa motors. Ja jums ir 24 V motors, jums būs nepieciešams pazeminošs pārveidotājs vai atsevišķs barošanas avots, lai elektronikai nodrošinātu 12 V spriegumu.

Tālāk mēs vēlēsimies pārbaudīt minimālo un maksimālo ātrumu, ko var nodrošināt jūsu motors. Ja jums ir barošanas avots ar atlasāmu/regulējamu spriegumu, izmantojiet to, ja ne, tad turpmāk izveidojiet vadības ķēdē redzamo PWM ķēdi (vai pilnu vadības ķēdi).

2. darbība: ātruma pārbaude

Optiskais tahometrs ir lielisks instruments, lai pārbaudītu motora ātrumu, ja jūs to varat iegūt, šeit es piedāvāju alternatīvu metodi.

A daļa

1. Sagatavojiet datoru audio ierakstīšanai, izmantojot "Audacity", kas ir bezmaksas audio redaktors.

2. Aptiniet lenti ap motora vārpstu (elektriskā vai maskēšanas lente darbosies labi).

3. Iestatiet motoru uz zemāko ātrumu, ko tas var pārvaldīt.

4. Sāciet ierakstīt audio.

5. Saskaņā ar šīs sadaļas videoklipu, dažas sekundes viegli pieskarieties metāla tapai, nagai vai saspraudei.

6. Pārtrauciet ierakstīšanu.

7. Atkārtojiet līdz maksimālajam ātrumam.

8. Skatiet audio un noskaidrojiet RPM.

Kad mēs saskaramies ar lenti ar metāla tapu, mēs vēlamies, lai tā tik tikko pieskaras. Jo tuvāk piespraužat tapu pie motora vārpstas, jo vairāk lentei ir jāizliekas, lai to izietu, un jo vairāk mēs palēninām vai paņemam impulsu no motora. Ja kontakts starp lenti un metāla tapu ir pārāk gaišs, iespējams, ierakstā nebūs pietiekami daudz skaļuma, lai pastāstītu mums, kad ir izveidots kontakts. Lai aprēķinātu RPM no audio Audacity (skatiet attēlu augšpusē)

B daļa

1. Tuviniet audio, līdz redzat atšķirīgas virsotnes, kur tapa saskaras.

2. Ar peles kreiso pogu noklikšķiniet un turiet, pārvietojot peli tā, lai izvēlētā zona aptvertu vismaz 5 virsotnes.

3. Saskaitiet pīķu skaitu.

4. Izmantojiet laika sākuma displeju "Sadaļas sākums un beigas" loga apakšdaļā, lai iegūtu laiku, kas vajadzīgs, lai sasniegtu šos maksimumus/rotācijas.

5. (pīķu skaits)/(laiks sekundēs) = apgriezieni sekundē

6. RPM = (apgriezieni sekundē)*60

Pirms šī motora korpusa uzbūvēšanas ir svarīgi pārliecināties, vai jūsu motors var strādāt vajadzīgajā ātrumā. Mēs atkārtosim ātruma testu beigās, lai kalibrētu vēlāk, veicot A daļas 7. darbību un aizstājot 3. darbību ar jebkuru pārbaudāmo ātrumu.

3. darbība: parauga patrona

Šīs konstrukcijas vissvarīgākā daļa ir parauga patrona. Alumīnija patronai mans draugs (Džerijs) to pagrieza uz virpas, pēc tam tika uzsitusi vītne, lai tā ietilptu manā konkrētajā motorā (manā gadījumā - imperatora pavediens). Motoram ar skrūvējamu vītni uz vārpstas patronas montāža ir tā vienkārši ieskrūvēšana (saite). Man tas šķiet vieglāk, lai gan, visticamāk, būs tāda precesija, kurā patrona ir uzstādīta. Ja jūs izmantojat motoru ar gludu vārpstu, jums nebūs nekādu problēmu ar "atskaņošanu" pavedienā. Izaicinājums ir tāds, ka vārpsta būs vai nu jāpielīmē, vai vēl labāk, ja tai ir skrūve, lai to pievilktu pie vārpstas.

Ja jums ir piekļuve metāla apstrādes virpai un kāds ir prasmīgs to izmantot, vislabāk ir pagriezt patronu. Ja jūsu motoram ir vītne, piesitiet vītnei uz patronas centra. Motoram ar gludu vārpstu jums jāizmanto kaut kas līdzīgs skrūvei, lai piespiestos pie vārpstas malas un turētu to vietā.

Alternatīva, kas parādīta iepriekšējos attēlos, ir ņemt caurumu ar zāģi un izgriezt disku, izmantojot urbjmašīnu. Pēc tam izmantojiet pieskārienu, lai centrā ievietotu pavedienu. Ja jums ir mīksts materiāls, to var noņemt ar nazi, cietākam materiālam būtu piemērota vīle. Pēc tam cauruma augšdaļu var piepildīt ar epoksīdu vai izgriezt no metāla loksnes uz virsmas.

DROŠĪBA: Līmes/epoksīda lietošana uz patronas nav ieteicama, jo, ja līme neizdodas … kur iet patrona. Patrona lietošanas laikā griezīsies lielā ātrumā, padarot patronu no plānas metāla plāksnes, iespējams, pārvērtīs to par griešanas disku. Es iesaku izmantot materiālu, kura biezums nav mazāks par 5 mm.

4. solis: izveidojiet motora stiprinājumu - pamatni un atsperes

Motora stiprinājumam vajadzētu kalpot diviem mērķiem, turēt motoru vietā un slāpēt vibrācijas. Jūsu izgatavotais stiprinājums būs specifisks jūsu motoram. Es aprakstīšu, ko esmu darījis, lai sniegtu jums priekšstatu par to, kā to izdarīt pats. Dažiem motoriem ir ventilācija sānos, tāpēc apzinieties, kur tā atrodas, un saglabājiet to brīvu dzesēšanai.

Pamatne un atsperesAtrodiet projektam pietiekami lielu smagu pamatni. Es atradu atbilstoša biezuma betona daļu un sagriezu to pēc izmēra, izmantojot dimanta leņķa slīpmašīnas asmeni. Betona klājējiem vai biezai metāla plāksnei vajadzētu darboties tikpat labi. Ja varat, mēģiniet atrast kaut ko tādu, kas nav jāsamazina.

Akmeņi betonā apgrūtina urbšanu un dažreiz nozīmē, ka caurumi novirzīsies uz sāniem. Tāpēc es izurbju caurumus vītņotā stieņa pamatnē, pirms atzīmēju caurumus uz motora korpusa (ja jums ir vairāk pielāgojams materiāls, pasūtījumam nebūs nozīmes).

1. Izurbiet caurumus vītņotajam stienim ar mūra urbi ar vītņotā stieņa diametru.

2. Izmantojiet daudz lielāku mūra urbi, lai atdalītu vītņotā stieņa galu, paplāksni un uzgriezni, kas atradīsies zem pamatnes.

3. Atzīmējiet caurumus uz motora korpusa koka bloka vītņotajam stienim vai uz papīra, lai vēlāk izmantotu kā veidni.

4. Izgrieziet vītņoto stieni garumā, nogrieziet griezuma malu un pārbaudiet, vai vītne joprojām ir laba. Uzgriežņa uzlikšana uz stieņa pirms griešanas. Kad tas ir noņemts, tas var salabot/izlīdzināt pavedienu, ja pēc tam tas nav pārāk bojāts.

5. Novietojiet stieņus caur betonu, kam seko paplāksne un uzgrieznis katrā pusē.

6.a Ja jums izdevās atrast pietiekami garas un stingras atsperes, lai atbalstītu motoru un korpusu, varat tās novietot, kam seko bieza paplāksne. Nepieciešama bieza mazgātāja, jo vītnē var iestrēgt plāna mazgātāja. Jūs varat izgatavot savas paplāksnes, urbjot caurumu caur piemērotu metāla gabalu un pabeidzot caurumu ar failu.

6b. Ja nevēlaties izmantot atsperes, tā vietā var izmantot uzgriezni un paplāksni, trūkums ir tāds, ka tas nemazinās motora vibrācijas.

5. solis: izveidojiet motora stiprinājumu - motora korpusu

Motora korpuss tika izgatavots kā skava, priežu gabali tika savienoti ar eņģēm kopā ar dobumu centrā un uzgriezni un skrūvi, lai to nostiprinātu. Manam mājoklim izmantotā koksne tika nogriezta no spāres ar 38x228 mm šķērsgriezumu.

1. Noskaidrojiet motoram vajadzīgo koksnes izmēru un atzīmējiet to kā iepriekšējā fotoattēla a) punktu.

2. Atzīmējiet caurumu, kas nav mazāks par jūsu motora diametru, mums ir nepieciešama neliela vieta gumijas sloksnei, kas atradīsies starp motoru un korpusu. Montāža ir piedodoša attiecībā uz urbuma lielumu, jo ir piestiprināta skava (eņģe un skrūve).

3. Izurbiet izmēģinājuma caurumu, pēc tam urbiet caurumu, izmantojot caurumu zāģi. Caurzāģis, kuru es izmantoju, sagriež tikai aptuveni 22 mm dziļumā, tāpēc es urbju pusi no katras puses.

4. Atzīmējiet un izurbiet caurumus vītņotajam stienim, kas atbalstīs motora korpusu. Tiem jābūt vismaz 1 mm biezākiem par vītņoto stieni, lai nodrošinātu brīvu kustību.

5. Ieskrūvējiet eņģes, kā norādīts b) attēlā, un noņemiet to. Tas ir, lai izveidotu caurumus.

6. Izgrieziet formu, kā norādīts b) attēlā, es izmantoju muguras zāģi.

7. Forma ļauj mums atrast skrūvi pretī eņģēm. Izurbiet caurumu skrūvei, kā parādīts iepriekšējā fotoattēla c) punktā. Caurumam jābūt apmēram 2 mm lielākam par skrūvi, lai varētu viegli atvērt un aizvērt montāžu.

8. Izgrieziet gabalu gareniski, kā norādīts d) attēlā iepriekš redzamajā fotoattēlā, tad ieskrūvējiet eņģi atpakaļ.

9. Aptiniet motoru ar gumijas sloksni un ievietojiet korpusā, ieliktni un pievelciet uzgriezni, skrūvi un paplāksni, lai korpuss būtu aizvērts, padariet to stingru, bet ne pārāk stingru. Ja jūsu motora sānos ir ventilācija, pārliecinieties, ka nebloķējat tā gaisa plūsmu.

10. Novietojiet motora korpusu uz pamatnes. Pārliecinieties, vai atsperes ir savās vietās ar paplāksni uz augšu. Novietojiet paplāksni un uzgriezni uz 3 vītņotajiem stieņiem, lai noturētu motoru. Lai labāk samazinātu vibrācijas, starp motora korpusu un paplāksni var novietot papildu gumijas spilventiņu.

11. Pievelciet 3 uzgriežņus, izmantojot vadotnes līmeņrādi.

6. darbība: izveidojiet motora stiprinājumu - kameru

Lai izveidotu kameru, es izmantoju caurspīdīgu jogurta vannu un biezu plastmasas loksni.

1. Izmantojiet nazi, lai izgrieztu formu trauka pamatnē, caur kuru var izvilkt patronu (patronai, kuru tīrīšanai neizņems). Es nogriezu pa diagonāli pāri konteinera pamatnei, ļaujot vairāk vietas manevrēšanai, lai konteiners ietilptu virs patronas, nepalielinot caurumu centrā.

2. Nostipriniet trauku vietā ar nelielu līmlenti uz konteinera ārpuses. Es dodu priekšroku tam, nevis pastāvīgam stiprinājumam, lai to būtu vieglāk tīrīt.

3. Tvertnes apakšā novietojiet papīra dvieli, lai absorbētu šķidrumu centrifugēšanas laikā, pēc tam kameru pārklājiet ar alumīnija foliju. Vajadzības gadījumā izmantojiet nedaudz lentes, lai tas nepieskartos vārpstai vai patronai. Šī "mērce" periodiski jāmaina. Folija aiztur lielāko daļu šķidruma, un papīra dvielis absorbē lielāko daļu no folijas.

Bonuss: Pēc paraugu piestiprināšanas abpusējās lentes metodes izmantošanas es paņēmu Osilas mājienu (viņiem ir kvalitatīvs laboratorijas aprīkojums) un sagriezu veco kredītkarti, lai maniem paraugiem izveidotu stiprinājumu bez vakuuma/bez lentes.

7. solis: vadības ķēdes izveide

Apskatot iepriekš redzamos attēlus, jūs redzēsit glītas shēmas un maizes dēļa ieviešanu. Motoram un vadības ķēdei es izmantoju atsevišķus 12V 500mA barošanas avotus, jo motora nominālā jauda ir 500mA, kā likums, labāk, ja barošanas avotā ir 20% papildu jauda. Ja jums ir barošanas avots, kas var nodrošināt pietiekamu strāvu abiem, lieliski.

Tā vietā, lai soli pa solim to darītu, apskatīsim, ko katra sadaļa dara.

Laika kontroles ķēde ieslēdz un izslēdz centrifūgas pārklājumu un kontrolē, kurā no 2 posmiem/stāvokļiem ir PWM ķēde un kad pārslēgties.

Tas tiek darīts, barojot 2 relejus, izmantojot MOSFET tranzistorus. SPST releja vadība tiek ieslēgta un izslēgta, un DPDT relejs kontrolē, kurš no diviem podiem nosaka PWM ķēdes darba ciklu.

PWM ķēde ir vienkārši NE555 taimeris stabilā darbībā. Darba cikls, ko kontrolē podi, kur iestatītās pretestības attiecība pret katla vērtību ir darba cikls (sk. "Ātruma pārslēga bloku" shēmā).

Maksa:

MOSFETS tiek izmantoti, jo tie ļauj pārslēgt strāvu neuzmanīgu strāvu caur vārtu termināli. Tas ļauj mums uzglabāt maksu kondensatoros, lai darbinātu MOSFETS, kas savukārt vada relejus. Kondensatoru uzlādēšanai tiek izmantota īslaicīga kontakta spiedpoga. Diodes tiek izmantotas starp īslaicīgo kontaktu un kondensatoriem, lai novērstu strāvas plūsmu no viena kondensatora uz otru.

Izlāde:

Princips divu posmu laika kontrolei ir kondensatoru izlāde caur pretestību. Šo pretestību nosaka katli, jo lielāka pretestība, jo lēnāka izlāde. Ideālā gadījumā tas seko τ = RC, kur τ ir periods vai laiks, R ir pretestība un C ir kapacitāte.

Izmantotajā laika ķēdē ir 2 x 500K dubultie podi, tas nozīmē, ka katram katlam ir 2 termināļu komplekti. Mēs to izmantojam, savienojot otro katlu sērijveidā ar sevi un sērijveidā ar vienu no pirmajiem katlu termināļiem. Tādā veidā, kad mēs uzstādīsim pretestību pirmajam katlam, tas pievienos ekvivalentu pretestību otrajam katlam. Pirmais katls ir ierobežots līdz 500K, bet veids, kā pieslēgt otro, tam būs pretestība līdz 1000K plus pirmā katla vērtība. Lai iekļautu minimālo pretestību, katrai līnijai papildus pievienoju fiksētas vērtības rezistoru saskaņā ar shēmas shēmu.

8. solis: kalibrēšana un pārbaude

Pēc centrifūgas pabeigšanas es turpināju to pārbaudīt. Iepriekš redzamajā paraugu attēlā ir paraugs (hibrīdperovskīts), kas izgatavots uz dārga centrifūgas kreisajā pusē, un griešanās pārklājums, kas aprakstīts šajā instrukcijā labajā pusē. Šie centrifūgas pārklājumi tika iestatīti tādā pašā ātrumā.

Centrifūgas pārklājumu var kalibrēt vai nu pret spriegumu, vai pret ātruma podu stāvokli. Sākotnēji kalibrēju, izmantojot spriegumu, kam sekoju uz katliem visbiežāk izmantotā ātruma/stāvokļa atzīmēšana.

Kalibrējot ar spriegumu, es neesmu pārliecināts, vai dažādi multimetri nolasīs PWM signālu kā vienu un to pašu spriegumu, tāpēc vienmēr izmantoju to pašu multimetru, ar kuru kalibrēju, ja man jāiestata centrifūgas ātrums, kuram nav pievienots marķēšana. Spriegums tika nolasīts pie motora pievadītās izejas. Ātruma mērīšanas laikā multimetrs nebija pievienots, lai izvairītos no iespējas, ka multimetrs samazina motoram piegādāto strāvu.

1. Sadaļā par ātruma pārbaudi tika aprakstīts ātruma pārbaudes process. Atkārtojiet šo procesu dažādās ātruma kontroles podu pozīcijās, mēģiniet iekļaut ātrumu, ar kādu plānojat izmantot centrifūgas pārklājumu, un minimālo un maksimālo ātrumu. Pietiek ar apmēram 5 mērījumiem. Katram ātrumam ierakstiet pozīciju un/vai spriegumu.

2. Ievietojiet kalibrēšanas ātrumu un spriegumu programmā Microsoft Excel, pēc tam uzzīmējiet diagrammu

3. Pievienojiet saviem datiem tendenču līniju. Izmantojiet vienkāršāko atbilstību, kas izskaidros datu tendenci, ideālā gadījumā lineāru vai otrās kārtas polinomu.

3.a Lai to izdarītu programmā Excel, atlasiet uzzīmēto grafiku, dodieties uz izkārtojuma cilni opciju lentē

3.b Noklikšķiniet uz ikonas "Trendline".

3.c Atlasiet “citas tendenču līnijas iespējas”

3d. Izvēlieties savu opciju un atzīmējiet "Rādīt vienādojumu diagrammā" un "Rādīt diagrammā R-kvadrāta vērtību"

Cerams, ka jums ir laba piemērotība, tagad varat izmantot vienādojumu, lai aprēķinātu apgriezienus minūtē no motoram piegādātā sprieguma.

Tā kā lasītājs, iespējams, ir zinātnieks …

Pipetes tehnika: videoklipā es izmantoju mikropipeti leņķī, tas man palīdzēja novērst manu roku no video. Ideālā gadījumā pipetei jābūt vertikālai un tik tuvu paraugam/substrātam, nepieskaroties tai, cik droši varat atkārtot.

Filmas kvalitāte: dažas no attēlā redzamo plānu plēvju funkcijām var novērst, pirms lietošanas filtrējot prekursoru šķīdumus (piemēram, izmantojot 33 µm PTFE filtru). Gaišākā plēves krāsa, kas redzama no "iedomātā" centrifūgas pārklājuma, var būt rampas ātruma un atmosfēras rezultāts. "Izsmalcinātais" centrifūgas pārklājums tika ražots, lai darbotos tikai ar lielu inertas gāzes plūsmu, jo šādas plēves tika centrifugētas ar slāpekli uz "iedomātā" centrifūgas un gaiss DIY centrifūgas pārklājumā.

9. solis: Pateicības

Šī īsa sadaļa, lai sniegtu kontekstu par to, kur es studēju, un grupām, kas atbalsta manu pētījumu, kas ir vērsts uz hibrīdperovskīta fotoelementu.

• Vitvatersoras universitāte, Dienvidāfrika
• Nacionālais pētniecības fonds (NRF), Dienvidāfrika
• GCRF-START. Lielbritānija
• Gerijs (kurš apstrādāja alumīnija centrifūgas patronu)