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:
- Studio dei fenomeni fluidodinamici della microfluidica
- Analisi numerica CFD e sviluppo di modelli analitici di dispositivi e sistemi microfluidici
- Studio e realizzazione di micromescolatori e microgocciolatori
- Micromescolatori statici
- Micromescolatori attivi di tipo batch
- Microgocciolatori
- Studio e realizzazione di mini oscillatori e flussimetri fluidici
- Sistemi optopneumatici
- Interfaccia optopneumatica
- Dispositivi con materiali a memoria di forma (SMA)
- Mano di presa a tre dita con cerniere virtuali
- Dito flessibile attuato mediante fili SMA
- 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 |
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Lunghezza di sviluppo profilo di velocità laminare
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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
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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. |
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Y-Y mixer
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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 |
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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.
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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: |
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Water in Silicon Oil: |
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3 - Studio e realizzazione di mini oscillatori e flussimetri fluidici
Vladimir Viktorov, Carmen Visconte
Mini flussimetri a retroazione |
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Martinelli M., Viktorov V. “A mini fluidic oscillating flowmeter”. In: Flow Measurement and Instrumentation, vol. 22, (2011) p.37-543. |
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Mini oscillatori e flussimetri con un getto |
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Con due getti Con tre getti |
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4 -Sistemi optopneumatici
Gabriella Eula, Terenziano Raparelli, Vladimir Viktorov
Interfaccia optopneumatica |
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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. 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
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Mano di presa a tre dita con cerniere virtualiDi 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 |
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Dito flessibile attuato mediante fili SMAA 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
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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. |