Laboratorio “Microfluidica e Microazionamenti”

Coordinatore: Vladimir Viktorov

Obiettivi:

Il laboratorio ha come obiettivi lo studio e la realizzazione di dispositivi e sistemi microfluidici e microazionamenti. In particolare le attività del laboratorio consistono nello studio della meccanica dei fluidi su scala micrometrica, nella realizzazione dei diversi dispositivi e sistemi microfluidici e nella loro integrazione con sistemi elettronici e ottici. L’attività del laboratorio è indirizzata anche alla realizzazione dei microazionamenti utilizzando i materiali a memoria di forma SMA e materiali PLZT.

Alcuni progetti:

  1. Studio dei fenomeni fluidodinamici della microfluidica
    • Analisi numerica CFD e sviluppo di modelli analitici di dispositivi e sistemi microfluidici
  2. Studio e realizzazione di micromescolatori e microgocciolatori
    • Micromescolatori statici
    • Micromescolatori attivi di tipo batch
    • Microgocciolatori
  3. Studio e realizzazione di mini oscillatori e flussimetri fluidici
    • Mini flussimetri a retroazione
    • Mini oscillatori e flussimetri a getti
  4. Sistemi optopneumatici
    • Interfaccia optopneumatica
  5. Dispositivi con materiali a memoria di forma (SMA)
    • Mano di presa a tre dita con cerniere virtuali
    • Dito flessibile attuato mediante fili SMA
  6. Dispositivi con materiali PLZT
    • Amplificatore meccanico di spostamento con comando PLZT

1 - Studio dei fenomeni fluidodinamici della microfluidica

Vladimir Viktorov, Carmen Visconte

Tramite modelli numerici CFD si studiano gli effetti fluidodinamici negli elementi di base della microfluidica, fra cui microcanali e microcamere. Si realizzano, inoltre, modelli numerici CFD di dispositivi microfluidici (microflussimetri, micromiscelatori, e microfocusing ecc.), tali modelli sono in seguito validati attraverso prove sperimentali.

Esempi:

Condotti rettangolari con rapporto profondità/larghezza(h/w)diverso

Lunghezza di sviluppo profilo di velocità laminare

Rapporto fra velocità massima e velocità media

per i flussi con numeri di Knudsen Kn<10-3   e numeri di MachMa<0,18.

 Martinelli M., Viktorov V., “Modelling of laminar flow in the inlet section of rectangular microchannels”. In: J. Micromech.Microeng, 19 (2009) 025013 (9pp)

2 - Studio e realizzazione di micro mescolatori e microgocciolatori

Vladimir Viktorov, Carmen Visconte

Micromescolatori statici

Banco prova

H mixer

Nimafar M., Viktorov V., Martinelli M., “Experimental comparative mixing performance of passive micromixers with H-shaped sub-channels", Chemical Eng. Sci.. 76, (2012) 37-44.

Chain, Tear-drop e H-C mixer

Viktorov Vladimir, Mahmud Md Readul, Visconte Carmen, “Design and characterization of a new H-C passive micromixer up to Reynolds number 100”,Chemical Engineering Research and Design, 108, (2016),pp. 152-163.

Y-Y mixer

Viktorov Vladimir, Visconte Carmen, Mahmud Md Readul, “Analysis of a Novel Y-Y Micromixer for Mixing at a Wide Range of Reynolds Numbers”, JOURNAL OF FLUIDS ENGINEERING, 138:9, (2016).

Micromescolatori attivi di tipo batch

 

I minimescolatori o minimixer attivi sono dispositivi utilizzati  per mescolare nei diversi processi  tecnologici di tipo batch (chimici, alimentari, farmaceutici, biomedici,  ecc.) piccole quantità di due o di più fluidi. 

La struttura dei minimixer realizzati presso il DIMEAS si compone di una lamina piezoelettrica 2 che fa vibrare una membrana siliconica 5. Il fluido da mescolare è depositato in una camera di mixing 7 collegata alla membrana siliconica.

Controllando la pressione del liquido interposto fra le due membrane (nella camera motrice) è possibile modificare i modi vibranti della membrana siliconica e variare i flussi nella camera di mescolamento per ottimizzare il processo.

  1. Telaio di supporto per la membrana piezoelettrica
  2. Membrana piezoelettrica
  3. Fori per il riempimento della “camera motrice”
  4. Telaio di supporto per la membrana siliconica
  5. Membrana siliconica
  6. Telaio per  la camera di mescolamento
  7. Camera di mescolamento
  8. Ingresso componenti da mescolare
  9. Uscita flusso mescolato
  10. Accesso alla zona di mixer per  visualizzazioni

Microgocciolatori

Vladimir Viktorov, Carmen Visconte

I microgocciolatori o microdroplets sono dispositivi microfluidici utilizzati in diversi processi chimici, alimentari, farmaceutici, biomedici, ecc.  per le tecnologie  innovative  di  microincapsulamento e di emulsione. Sono elementi basilari  nei sistemi di microfluidica digitale fondati su microgocce.

Esempi delle applicazioni: aerazione ed emulsione dei cibi, chiarificazione dei vini con metodo di flottazione, micro-ossigenazione (-ossidazione) dei vini, ecc.

Sono stati progettati e studiati originali microgocciolatori basati sui principio del microfocusing e sulla base dei micromiscelatori statici.

Microfocusing

Air in Silicone Oil:

Water in Silicon Oil:

3 - Studio e realizzazione di mini oscillatori e flussimetri fluidici

Vladimir Viktorov, Carmen Visconte

Mini flussimetri a retroazione 

Martinelli M., Viktorov V. “A mini fluidic oscillating flowmeter”. In: Flow Measurement and Instrumentation, vol. 22, (2011) p.37-543.

Mini oscillatori e flussimetri con un getto
 
Con due getti                     Con tre getti

4 -Sistemi optopneumatici

Gabriella Eula, Terenziano Raparelli, Vladimir Viktorov

Interfaccia optopneumatica  

Utilizzando un opto detector e degli amplificatori microfluidici laminari collegati in cascata è stato possibile realizzare un’interfaccia optopneumatica comandata da luce infrarossa e da luce visibile.
Il segnale ottico (di 5mW) è generato da un led in remoto e trasportato tramite fibre ottiche fino all’optodetector. Il segnale pneumatico all’uscita dell’interfaccia è in grado di comandare una valvola pneumatica.

Belforte G; Eula G; Martinelli M; Raparelli T; Viktorov V., “Optimization of an optopneumatic interface”.In: MECHATRONICS, vol. 15, Issue 3, (2005), pp. 359-369.

5 - Dispositivi con materiali a memoria di forma (SMA)

Daniela Maffiodo, Terenziano Raparelli

Mano di presa a tre dita con cerniere virtuali

Di piccole dimensioni (le dita misurano circa 30 X 30 mm), può afferrare e trasportare piccoli oggetti a simmetria cilindrica. Attuato mediante fili a memoria di forma (SMA) per sviluppare notevoli forze e piccoli spostamenti

Dito flessibile attuato mediante fili SMA

A struttura modulare, ogni dito è realizzato mediante tre moduli cilindrici di piccole dimensioni (16 mm di diametro, 40 mm di lunghezza), attuati ciascuno mediante tre fili SMA disposti assialmente. L’accorciamento di uno o più fili causa la flessione dell’intero modulo.

Maffiodo, D., Raparelli, T., “Three-fingered gripper with flexure hinges actuated by shape memory alloy wires”, International Journal of Automation Technology, 11 (3), (2017), pp. 355-360.

Maffiodo, D., Raparelli, T., “Design and realization of a flexible finger actuated by shape memory alloy (SMA) ires”, International Journal of Applied Engineering Research, 12 (24), (2017), pp. 15635-15643.

6. Dispositivi con materiali PLZT

Federico Colombo, Gabriella Eula; Carlo Ferraresi

Amplificatore meccanico di spostamento con comando PLZT

Esistono dei materiali, detti PLZT, in grado di deformarsi, o in allungamento o in flessione, sotto una radiazione ultravioletta, grazie all’azione combinata dell’effetto piezoelettrico e fotovoltaico.
Un esempio di meccanismo in cui una lamina PLZT viene utilizzata come attuatore innovativo è realizzato con un sistema di amplificazione meccanica di spostamento a tre stadi con cerniere virtuali.