La microdosificación es una técnica que permite dosificar líquidos en cantidades inferiores a un microlitro. La continua miniaturización en casi todas las áreas técnicas plantea retos constantes para la industria y las instalaciones de desarrollo e investigación. La microdosificación es uno de esos retos. Cada vez es más necesario dosificar y colocar cantidades más pequeñas de adhesivos, líquidos, aceites, grasas y una multitud de otros medios de forma fiable y precisa, con tiempos de ciclo cortos. La colocación y la cantidad precisas de líquidos como pegamentos, reactivos o cualquier otra sustancia tienen una gran influencia en la calidad general de un dispositivo médico. Algunos ejemplos son:
La microdispensación también se utiliza en aplicaciones no médicas, como la aromatización de refrescos a pedido ( Coca-Cola Freestyle y Pepsi Spire ), la impresión de inyección de tinta y la impresión 3D .
Hay dos tipos básicos de técnicas de dispensación: dispensación por contacto clásica y dispensación sin contacto.
En la dosificación por contacto, la gota se forma a la salida de una boquilla y se deposita por contacto mientras la gota todavía está en la boquilla. La técnica es tan antigua como el deseo de dividir un medio, almacenado en un recipiente grande, en cantidades más pequeñas. Un buen ejemplo de esto es la aplicación de adhesivo con un tubo: para aplicar el adhesivo se requiere el contacto entre la punta del tubo y la parte a la que se transferirá la gota de adhesivo. Este método tiene desventajas:
A pesar de todas estas desventajas, la dispensación por contacto todavía se utiliza en la mayoría de los procesos automatizados hoy en día, debido a:
Bomba de engranajes
Sistemas de presión-tiempo
En la dosificación sin contacto, la gota también se forma en el extremo de una boquilla, pero lo suficientemente lejos del área objetivo como para que la gota se separe de la boquilla antes de llegar a ella. Esta también es una técnica muy antigua, tan antigua como la de expulsar líquido a chorro desde un tubo.
Debido a las exigencias cada vez mayores en cuanto a tiempos de ciclo y precisión en casi todas las áreas de producción, la dosificación sin contacto está ganando cada vez más importancia. Un buen ejemplo de ello es la fijación de piezas electrónicas muy pequeñas (piezas SMD) sobre placas de circuitos impresos y sustratos. Para ello, el soporte de la pieza solo tiene que colocarse en un plano; después, el adhesivo se puede transferir sin contacto. Los siguientes ejemplos muestran las ventajas de la dosificación sin contacto:
La dispensación sin contacto se puede dividir en dos métodos diferentes:
La dispensación por formación de chorro se produce cuando la velocidad de flujo de un medio en la salida de la boquilla es lo suficientemente alta como para que los efectos de la gravedad y la tensión superficial en la separación del fluido de la boquilla sean de importancia secundaria. Este estado se caracteriza por el número de Weber :
dónde
La línea divisoria física entre la formación de gotas y la formación de chorros se encuentra en torno a un número de Weber de 8. En este punto, la presión dinámica del medio que fluye supera la presión de la tensión superficial de la gota, que, por tanto, se adhiere a la boquilla. Esta fase de transición se puede demostrar en un grifo de agua aumentando gradualmente el caudal, pasando del estado de goteo hasta que se forma un chorro de agua continuo. Sin embargo, en este caso el número de Weber está claramente por encima de 8, debido a las condiciones de salida del chorro de la boquilla.
Utilizando el número de Weber, se puede encontrar el límite inferior teórico del flujo másico para las condiciones de formación del chorro. En aplicaciones reales, para garantizar un proceso de dosificación seguro, los números de Weber reales elegidos deben estar entre 20 y 50.
Para una estimación calculada de la velocidad del flujo de fluido en la boquilla, para fluidos con comportamiento de flujo newtoniano, se ha probado la fórmula para el flujo de fluido capilar según la ley de Hagen-Poiseuille .
Para evitar la atomización del fluido en la salida de la boquilla, el flujo de fluido en la boquilla debe ser laminar, lo que es así siempre que el número de Reynolds (Re) de la boquilla sea menor que el número de Reynolds crítico de la boquilla:
Número de Reynolds de la boquilla:
Número crítico de Reynolds de la boquilla:
Por lo tanto, el rango teórico de dispensación por formación de chorro está limitado en su límite inferior por el número de Weber y en su límite superior por el número crítico de Reynolds. Para aplicaciones prácticas, no es deseable una energía cinética alta en el chorro de fluido, porque el chorro probablemente estallaría y salpicaría pequeñas gotas alrededor del punto objetivo. Por lo tanto, los sistemas de dispensación por formación de chorro se utilizan generalmente en el área de números de Weber más bajos.
En la práctica, el cálculo del número de Weber se vuelve más complicado cuando se utilizan fluidos con aditivos, que muestran un comportamiento de flujo no newtoniano (es decir, tixotrópico) y, por lo tanto, la viscosidad durante el flujo a través de la boquilla es diferente.
La dispensación dinámica de gotas se caracteriza por la separación de una gota de la salida de la boquilla mediante un proceso dinámico, porque la presión estática del medio líquido es insuficiente para formar un chorro de fluido.
Un ejemplo conocido es la impresión por inyección de tinta . En esta aplicación, el volumen de una pequeña cámara de dispensación con una boquilla adyacente se reduce mediante un impulso corto, con lo que la tinta se expulsa a través de la boquilla. La cámara de la boquilla, la boquilla y el depósito de tinta están conectados de forma fluida sin ninguna válvula entre ellos. Durante el proceso de dispensación, una parte del medio también fluye en la dirección inversa (de vuelta al depósito). La tensión superficial del fluido en la salida de la boquilla evita que se aspire aire y que el fluido salga de la boquilla cuando la cámara de dispensación se vuelve a llenar. El principio de este proceso solo es útil para fluidos de baja viscosidad y no es aplicable con presiones de fluido más altas.
Los sistemas de inyección de tinta tienen las siguientes propiedades inherentes:
• Se pueden lograr volúmenes de gota muy pequeños (8 picolitros)
• Se pueden lograr frecuencias de dispensación altas (algunos kHz)
• Bajos costos para producción en masa
• Solo se pueden dispensar ciertos medios de baja viscosidad (es decir, no medios volátiles)
• Principalmente no es a prueba de fugas
Para la producción industrial, las cantidades de dosificación y el rango de espectros de viscosidad de los sistemas de inyección de tinta para la mayoría de las aplicaciones son demasiado pequeños. En estos campos de producción, se utilizan en su lugar válvulas especialmente diseñadas con accionamientos de taqués de alta presión dinámica. Estos sistemas de microdosificación se caracterizan por las siguientes propiedades:
• Volúmenes de gota única de 10 a 200 nanolitros
• Frecuencias de dispensación de hasta 100 Hz
• Precisión de dispensación < 1%
• Viscosidades de medios de hasta 200 Pa·s (tixotrópico)
